光电测试技术46光调制

1、性能稳定、调制度高，损耗小、相位均匀 有一定的带宽工作基础：物质对外来作用产生的各种物理效应电光效应声光效应磁光效应电光效应电光效应(induced optical effects) 各向同性物质外界作用各向异性物质各向异性物质外界作用物质的各向异性变化1. 机械感应机械感应-光弹效应光弹效应(photoelasticity) 各向同性或异性材料在外力作用下可产生各向异性的变化，各向同性或异性材料在外力作用下可产生各向异性的变化， 例如：玻璃或塑料例如：玻璃或塑料 拉伸或压缩拉伸或压缩各向异性各向异性 应力分析应力分析 - 光弹力学光弹力学 工程应用工程应用干涉色的分布干涉色的分布受力分布受力

2、分布 通常情况下，拉伸通常情况下，拉伸 成为正单轴材料；成为正单轴材料； 压缩压缩 成为负单轴材料；成为负单轴材料； 2. 电感应电感应-电光效应电光效应(electro-optical effect) 在一些各向同性材料上加上电场在一些各向同性材料上加上电场 各向异性各向异性电致双折射电致双折射, 双折射大小与电场强度有关双折射大小与电场强度有关a. kerr 效应（效应（1875年）年） 各向同性透明介质在电场下成为单轴双折射各向同性透明介质在电场下成为单轴双折射材料，光轴平行于电场，平行于电场的光振动的折材料，光轴平行于电场，平行于电场的光振动的折射率为射率为 n ，垂直于电场的光振动的

3、折射率为，垂直于电场的光振动的折射率为 n折射率变化量与外电场强度平方成比例液晶空间光调制器液晶空间光调制器 (了解) 有些物质不是直接由固态变为液态，而是经过一个过渡相态，这时，它一方面具有液体的流动性质，同时又有晶体的特性(如光学、力学、热学的各向异性)，这种过渡相态称之为这种过渡相态称之为“液晶液晶”。 液晶是一种有机化合物，一般由棒状柱形对称的分子构成，具有很强的电偶极矩和容易极化的化学团。对这种物质施加外场(电、热、磁等)，液晶分子的排列方向和液晶分子的流动位置就会发生变化，即改变液晶的物理状态。如对液晶施加电场，它的光学性质就发生变化，这就是液晶的电光效应。a. kerr 效应（效

4、应（1875年）年） - 各向同性透明介质在电场下成为单轴双折射材料，光轴各向同性透明介质在电场下成为单轴双折射材料，光轴平行于电场，平行于电场的光振动的折射率为平行于电场，平行于电场的光振动的折射率为 n ，垂直于，垂直于电场的光振动的折射率为电场的光振动的折射率为 n kerr盒盒 利用利用kerr效应制成的调制器效应制成的调制器（内装电致双折射材料（内装电致双折射材料 有电光效应的液体有机化合物）有电光效应的液体有机化合物）液体中的液体中的kerr效应装置效应装置b. pockels 效应（效应（1893年）年） 一些晶体（电光晶体），加上外电场后，单轴晶体成为双轴晶一些晶体（电光晶体）

5、，加上外电场后，单轴晶体成为双轴晶体，双折射大小与电场强度得一次方成正比体，双折射大小与电场强度得一次方成正比 pockels 效应（线性电光效应）效应（线性电光效应） pockels实验实验2ken - 一次电光效应一次电光效应 所需电压比所需电压比kerr效应要低，同样可做成高速开关效应要低，同样可做成高速开关 声波是一种弹性波声波是一种弹性波(纵向应力波纵向应力波)，在介质中传播时，在介质中传播时，它使介质产生相应的弹性形变，从而激起介质中各质点它使介质产生相应的弹性形变，从而激起介质中各质点沿声波的传播方向振动，引起介质的密度呈疏密相间的沿声波的传播方向振动，引起介质的密度呈疏密相间的

6、交替变化，因此，介质的折射率也随着发生相应的周期交替变化，因此，介质的折射率也随着发生相应的周期性变化。超声场作用的这部分如同一个光学的性变化。超声场作用的这部分如同一个光学的“相位光相位光栅栅”，该光栅间距，该光栅间距(光栅常数光栅常数)等于声波波长等于声波波长 s。当光波。当光波通过此介质时，就会产生光的衍射。其衍射光的强度、通过此介质时，就会产生光的衍射。其衍射光的强度、频率、方向等都随着超声场的变化而变化。频率、方向等都随着超声场的变化而变化。 13 声光调制声光调制吸声装置laser inlaser out 声波在介质中传播分为行波和驻声波在介质中传播分为行波和驻波两种形式。图波两种

7、形式。图1.31所示为某一瞬所示为某一瞬间超声行波的情况，其中深色部分表间超声行波的情况，其中深色部分表示介质受到压缩，密度增大，相应的示介质受到压缩，密度增大，相应的折射率也增大，而白色部分表示介质折射率也增大，而白色部分表示介质密度减小，对应的折射率也减小。在密度减小，对应的折射率也减小。在行波声场作用下，介质折射率的增大行波声场作用下，介质折射率的增大或减小交替变化，并以声速或减小交替变化，并以声速 s(一般为一般为n 大n 小103ms量级)向前推进。由于声速仅为光速(108m)的数十万分之，所以对光波来说，运动的“声光栅”可以看作是静止的。设声波的角频率为s，波矢为ks （2/ s)

8、，则或者写成：或者写成：这里 n = -ksa，则行波时的折射率：此处此处 n = -(1/2)no3 ps， （1.3-3)式中，式中，s为超声波引起介质产生的应变，为超声波引起介质产生的应变，p为材料的弹光为材料的弹光系数系数(激光器件与技术教程的附录激光器件与技术教程的附录 )。式中式中a为介质质点的瞬时位移，为介质质点的瞬时位移，a为质点位移的幅度。可为质点位移的幅度。可近似地认为，介质折射率的变化正比于介质质点沿近似地认为，介质折射率的变化正比于介质质点沿x方方向位移的变化率向位移的变化率，即，即(1.3-1)声波的方程为 声驻波是由波长、振幅和相位相同，传播方向相反的两束声波叠加而

9、成的，如图1. 3-2所示。其声驻波方程为 上式说明，声驻波的振幅为2acos(2x/s )，它在x方向上各点不同，但相位2t / ts在各点均相同。同时，由上式还可看出，在x ns /2 或2ns /4 (n = 0,1,2,)各点上，驻波的振幅为极大(等于2a)，这些点称为波腹，波腹间的距离为s 2。在x(2n+1) s4的各点上，驻波的振幅为零，这些点称为波节，波节之间的距离也是s2。(1.3-4)图 1.3-2 超声驻波x ns /2x(2n+1) s4由于声驻波的波腹和波节在介质中的位置是固定的，因此它形成由于声驻波的波腹和波节在介质中的位置是固定的，因此它形成的光栅在空间也是固定的

10、。声驻波形成的折射率变化的光栅在空间也是固定的。声驻波形成的折射率变化(正比于介正比于介质质点沿质质点沿x方向位移的变化率方向位移的变化率, 对上式求导并令对上式求导并令n = - 4a /s )(1.3-5)声驻波在一个周期内，介质两次出现疏密层，且在波节处密度保声驻波在一个周期内，介质两次出现疏密层，且在波节处密度保持不变，因而折射率每隔半个周期持不变，因而折射率每隔半个周期(ts2)就在波腹处变化一次，就在波腹处变化一次，由极大由极大(或极小或极小)变为极小变为极小(或极大或极大)。在两次变化的某一瞬间，介。在两次变化的某一瞬间，介质各部分的折射率相同，相当于一个没有声场作用的均匀介质。

11、质各部分的折射率相同，相当于一个没有声场作用的均匀介质。若超声频率为若超声频率为fs，那么光栅出现和消失的次数则为，那么光栅出现和消失的次数则为2 fs ，因而光波，因而光波通过该介质后所得到的调制光的调制频率将为声频率的两倍。通过该介质后所得到的调制光的调制频率将为声频率的两倍。 按照声波频率的高低以及声波和光波作用长度的不按照声波频率的高低以及声波和光波作用长度的不同，声光互作用可以分为拉曼同，声光互作用可以分为拉曼纳斯纳斯(ramannath)衍衍射和布拉格射和布拉格(bragg)衍射两种类型。衍射两种类型。二、声光相互作用的两种类型二、声光相互作用的两种类型 当超声波频当超声波频率较低

12、，光波平率较低，光波平行于声波面入射行于声波面入射(即垂直于声场传即垂直于声场传播方向播方向)，声光互，声光互作用长度作用长度l较短时，较短时，产生拉曼产生拉曼纳斯纳斯衍射。衍射。 当超声波频率较低频率较低，光波平行于声波面入射(即垂直于声垂直于声场传播方向场传播方向)，声光互作用长度l较短较短时，产生拉曼纳斯衍射。由于声速比光速小很多，故声光介质可视为一个静止的平面相位光栅。而且声波长s比光波长大得多，当光波平行通过介质时，几乎不通过声波面，因此只受到相位调制，即通过光学稠密(折射率大)部分的1拉曼拉曼-纳斯衍射纳斯衍射光波波阵面将推迟，而通过光学疏松(折射串小)部分的光波波阵面将超前，于是

13、通过声光介质的平面波波阵面出现凸凹现象，变成一个折皱曲面，如图1.3-3所示。由出射波阵面上各子波源发出的次波将发生相干作用，形成与入射方向对称分布的多级衍射光，这就是拉曼纳斯衍射。 当声波频率较高频率较高，声光作用长度l较大较大，而且光束与声波波面间以一定的角度斜入射以一定的角度斜入射时，光波在介质中要穿过多个声波面，故介质具有“体光栅”的性质。当入射光与声波面间夹角满足一定条件入射光与声波面间夹角满足一定条件时，介质内各级衍射光会相互干涉，各高级次衍射光将互相抵消，只出现0级和+l级(或-1级)(视入射光的方向而定)衍射光，即产生布拉格衍射(类似于闪耀光栅），如图1. 3-5所示。因此，若

14、能合理选择参数，超声场足够强，可使入射光能量几乎全部转移到+1级(或-1级)衍射极值上。因而光束能量可以得到充分利用，因此，利用布拉格衍射效应制成的声光器件可以获得较高的效率。2.布拉格（布拉格（bragg)衍射衍射 (1)各向同性介质中的正常布拉格衍射。 声光体调制器是由声光介质声光介质、电电声换能器声换能器、吸声吸声(或反射或反射)装置装置及驱动电源等驱动电源等所组成，如图1.311所示。 (1)声光介质，声光介质是声光互作用的场所。当一束光通过变化的超声场时，由于光和超声场的互作用，其出射光就具有随时间而变化的各级衍射光，利用衍射光的强度随超声波强度的变化而变化的性质，就可以制成光强度调

15、制器。图 1.3-11 声光调制器结构吸声装置laser inlaser out三、声光体调制器三、声光体调制器1声光体调制器的组成声光体调制器的组成(2)电声换能器(又称超声发生器)(3)吸声(或反射)装置(放置在超声源的对面)。(4)驱动电源 它用以产生调制电信号施加于电声换能器的两端电极上，驱动声光调制器(换能器)工作。三三、磁致双折射磁致双折射科顿科顿穆顿效应：穆顿效应：某些透明液体在磁场某些透明液体在磁场h作用下变为各向异性作用下变为各向异性2hnnoe 二次效应二次效应磁场很强磁场很强 才能观察到才能观察到性质类似于单轴晶体性质类似于单轴晶体 光轴平行磁场光轴平行磁场hcd振动面旋

16、转的角度 由经验公式给出： 式中 为静磁通量， 为光所穿越的媒质长度， 是比例因子，称费尔德常数，一种特定媒质的费尔德常数随频率和温度而变。rbdbdrr2100131. 0r510oh2410ct20112显然，法拉弟效应可用来设计光调制器，欲提高效率必须每单位长度的材料对光的吸收要尽量小，而偏振面旋转的角度要尽量大，为此，人们研制了许多奇特的铁磁材料，如 ecraw 利用人工生长的钇铁石榴石（yig）磁性晶体，它的费尔德数可以达到 (对 波长， 温度范围)。 .cr0 . 9m3 . 1c8525调制电压恒定磁场起偏器起偏器 线偏振光从左面进入晶体，横向的直流磁场线偏振光从左面进入晶体，横

17、向的直流磁场使使yig晶体在此方向上引起磁化饱和，而总的晶体在此方向上引起磁化饱和，而总的磁化强度矢量（由恒定磁场和线圈磁场所引起）磁化强度矢量（由恒定磁场和线圈磁场所引起）可以改变方向，它对晶体轴的倾斜角度正比于可以改变方向，它对晶体轴的倾斜角度正比于线圈中的调制电流。线圈中的调制电流。因为法拉弟旋转依赖于磁化强度的轴向分量，因为法拉弟旋转依赖于磁化强度的轴向分量，所以线圈电源控制了所以线圈电源控制了 角，检偏器按照马吕定角，检偏器按照马吕定律把这一偏振调制转换为振幅调制。也就是说，律把这一偏振调制转换为振幅调制。也就是说，要传递的信息作为调制电压加在线圈上，则出要传递的信息作为调制电压加在线圈上，则出射的激光束以振幅变化的形式携带着信息。射的激光束以振幅变化的形式携带着信息。这样，为了获得更大的法拉弟效应，可以将放在磁场中的法拉弟材料做成平行六面体，使通光面对光线方向稍偏离垂直位置，并将两面镀层反射膜，只留入口和出口，这样，若光束在其间反射 次后出射，则有效旋光厚度为 ，则偏振面的旋转角度将提高 倍。nndn高反射膜 磁致旋光效应的旋转方向仅与磁场方向有关，而与光线传播磁致旋光效应的旋转方向仅与磁场方向有关，而与光线传播方向的正逆无关，这是磁致旋光现象与晶体的方向的正逆无关，这是磁致旋光现象与晶体的自然旋光现象自然旋光现象不同不同之处