光辐射的调制实现方法

1、光辐射的调制实现方法光辐射的调制实现方法1 1 电光调制电光调制2 2 声光调制声光调制3 3 磁光调制磁光调制4 4 机械调制机械调制n调制的基本方法调制的基本方法激光属于振荡频率在激光属于振荡频率在10131015Hz的相干电磁波，比无线电的相干电磁波，比无线电波（波（104108Hz），微波（），微波（1091011Hz）的频率高几个数）的频率高几个数量级，一般的电容电感振荡电路、晶体管振荡电路或者量级，一般的电容电感振荡电路、晶体管振荡电路或者磁控管等调制方法已经无法直接对激光进行调制。磁控管等调制方法已经无法直接对激光进行调制。对激光进行调制，必须考虑光与物质相互作用中，介对激光进行

2、调制，必须考虑光与物质相互作用中，介质中质中电偶极子电偶极子振荡机制，利用介质极化率实部（折射振荡机制，利用介质极化率实部（折射率）的变化，对激光进行调制。率）的变化，对激光进行调制。根据不同的光与物质相互作用类型，可以表现为电场、根据不同的光与物质相互作用类型，可以表现为电场、声场、磁场对光的控制作用，相对应为电光调制、声声场、磁场对光的控制作用，相对应为电光调制、声光调制和磁光调制。光调制和磁光调制。1 电光调制电光调制【基本要求基本要求】1、基本原理；2、电光调制器的结构 电光调制的物理基础是电光调制的物理基础是电光效应电光效应，即某些晶体在，即某些晶体在外加电场外加电场的作用下，其的作

3、用下，其折射率将发生变化折射率将发生变化，当，当光波光波通过此介质时，其通过此介质时，其传传输特性就受到影响而改变输特性就受到影响而改变。可做成可做成光调制器件光调制器件、光偏转器件光偏转器件和和电光滤波器件电光滤波器件。下图是一个纵向电光强度调制的典型结构。下图是一个纵向电光强度调制的典型结构。L1P0I入射光x起偏器（平行于 ) V电光晶体14 波片)y 检偏器（平行于 调制光I2Pxyz x y45纵向电光调制关键词：电光晶体的电光效应，偏光干涉法关键词：电光晶体的电光效应，偏光干涉法 光波在介质中的传播规律受到介质折射率分布的制约，而光波在介质中的传播规律受到介质折射率分布的制约，而折

4、射率的分布又与其介电常量（电容率）密切相关。折射率的分布又与其介电常量（电容率）密切相关。晶体折射率可用施加电场晶体折射率可用施加电场E的幂级数表示，即的幂级数表示，即电光调制的物理基础电光调制的物理基础20nnEbE 20nnnEbE 或写成或写成式中，式中， E E 是一次项，由该项引起的折射率变化，称为线性是一次项，由该项引起的折射率变化，称为线性电光效应或电光效应或泡克耳斯泡克耳斯(Pockels)效应效应；由二次项；由二次项 bE2 引起的折引起的折射率变化，称为二次电光效应或射率变化，称为二次电光效应或克尔（克尔（Kerr ）效应）效应。对于大多数电光晶体材料，一次效应要比二次效应

5、显著，可对于大多数电光晶体材料，一次效应要比二次效应显著，可略去二次项，故在略去二次项，故在只讨论线性电光效应只讨论线性电光效应。 对电光效应的分析和描述有两种方法：一种是对电光效应的分析和描述有两种方法：一种是电磁理论电磁理论方法，方法，但数学推导相当繁复；另一种是用但数学推导相当繁复；另一种是用几何图形几何图形折射率椭球体折射率椭球体(又称光率体又称光率体)的方法，这种方法直观、方便，故通常都采用这种的方法，这种方法直观、方便，故通常都采用这种方法。方法。 2222221xyzyxznnn1.电致折射率变化电致折射率变化 在晶体未加外电场时，主轴坐标系中，折射率椭球由如在晶体未加外电场时，

6、主轴坐标系中，折射率椭球由如下方程描述：下方程描述：式中，式中，x，y，z 为介质的主轴方向，也就是说在晶体内沿着这些为介质的主轴方向，也就是说在晶体内沿着这些方向的电位移方向的电位移D和电场强度和电场强度E是互相平行的；是互相平行的；nx，ny，nz 为折射为折射率椭球的主折射率。率椭球的主折射率。 当晶体施加电场后，其折射率椭球就发生当晶体施加电场后，其折射率椭球就发生“变形变形”，椭球方，椭球方程变为程变为 如下形式：如下形式：2222222123422561111211221xyzyznnnnxzxynn式中，式中，ijij 称为线性电光系数；称为线性电光系数； i取值取值1，6；j取

7、值取值1，2，3。上式可以用张量的矩阵形式表式为：。上式可以用张量的矩阵形式表式为：由于外电场的作用，折射率椭球各系数由于外电场的作用，折射率椭球各系数 随之发生线性变化，随之发生线性变化，其变化量其变化量 可定义为可定义为21n3211ijjijEn121 11 21 3222 12 22 3323 13 23 34 14 24 3425 15 25 3526 16 26 3621()1()1()1()1()1()xyznnEnEEnnn式中，式中， 是电场沿是电场沿 方向的分量。具有方向的分量。具有 元元素的素的 矩阵称为矩阵称为电光张量电光张量，每个元素的值由具体的晶体决定，每个元素的值

8、由具体的晶体决定，它是表征它是表征感应极化强弱的量感应极化强弱的量。下面以常用的。下面以常用的KDP晶体为例进行晶体为例进行分析。分析。 zyxEEE,zyx ,ij36KDP（KH2PO4）类晶体属于四方晶系）类晶体属于四方晶系, 42m点群点群, 是负单轴晶体是负单轴晶体, 因此有因此有 这类晶体的电光张量为这类晶体的电光张量为: ezyxnnnnn,0,0enn 且415263000000000000000ij 磷酸二氢钾磷酸二氢钾(KDP),磷酸二氘钾磷酸二氘钾(DKDP)由于其拥有由于其拥有优越的紫外透过优越的紫外透过,高损伤阈值高损伤阈值,双折射系数高等特性双折射系数高等特性,被广

9、泛地应用在多种工业用途被广泛地应用在多种工业用途(其非线性系数偏低其非线性系数偏低)。这两种晶体通常被用于做这两种晶体通常被用于做Nd:YAG激光器的二、三、激光器的二、三、四倍频器件（室温条件下）。另外，它们也具有电四倍频器件（室温条件下）。另外，它们也具有电光系数高的特点，故也被用于制作光系数高的特点，故也被用于制作Q开关等。开关等。 而且，而且， 因此，这一类晶体独立的电光系数只有因此，这一类晶体独立的电光系数只有两个，可得：两个，可得： 52416341和4122214241632225361110,0,1110,xyzEnnnEEnnn由此得到晶体加外电场由此得到晶体加外电场 E 后

10、的新折射率椭球方程式后的新折射率椭球方程式:222414163222002221xyzexyzyzExzExyEnnn由上式可看出由上式可看出, 外加电场导致折射率椭球方程中外加电场导致折射率椭球方程中“交叉交叉”项的出项的出现现, 说明加电场后说明加电场后, 椭球的主轴不再与椭球的主轴不再与 x, y, z 轴平行轴平行, 因此因此, 必须必须找出一个新的坐标系找出一个新的坐标系, 使上式在该坐标系中主轴化使上式在该坐标系中主轴化, 这样才可能这样才可能确定电场对光传播的影响。为了简单起见确定电场对光传播的影响。为了简单起见, 将外加电场的方向平将外加电场的方向平行于轴行于轴 z ，即，即

11、, 于是：于是：0,yxzEEEE 为了寻求一个新的坐标系为了寻求一个新的坐标系 (x, y, z)，使椭球方程不含交叉，使椭球方程不含交叉项，即具有如下形式：项，即具有如下形式：222632220021zexyzxyEnnn2222221xyzxyznnn式中，式中， x, y, z 为加电场后椭球主轴的方向，通常称为感应为加电场后椭球主轴的方向，通常称为感应主轴；主轴； 是新坐标系中的主折射率，由于是新坐标系中的主折射率，由于x和和y是对称的是对称的 , 故可将故可将 x 坐标和坐标和 y 坐标绕坐标绕z轴旋转轴旋转角，于是从旧坐标系到新坐角，于是从旧坐标系到新坐标系的变换关系为：标系的变

12、换关系为：zyxnnn,xyxycossinsincoszzxxyyxy22263632220063111(sin 2 )(sin 2 )2cos21ZzezExEyznnnEx y 这就是这就是KDP类晶体沿类晶体沿 Z 轴加电场之后的新椭球方程，如图所轴加电场之后的新椭球方程，如图所示。其椭球主轴的半长度由下式决定：示。其椭球主轴的半长度由下式决定： 令交叉项为零，即令交叉项为零，即 , 则方程式变为则方程式变为 045, 02cos得11)1()1(222632026320znyEnxEnezzyxy450 加电场后的椭球的形变加电场后的椭球的形变x63226322022111111zx

13、ozyzeEnnEnnnn由于由于6363 很小（约很小（约10-10m/V）,一般是一般是6363E EZ Z ，201n利用微分式利用微分式 , dnnnd322)1()1(223ndndn3063306312120 xzyzznnEnnEn 即得到即得到(泰勒展开后也可得泰勒展开后也可得) :30063300631212xzyzzennnEnnnEnn 由此可见，由此可见，KDP晶体沿晶体沿 z（主）轴加电场时，由单轴晶变（主）轴加电场时，由单轴晶变成了双轴晶体，折射率椭球的主轴绕成了双轴晶体，折射率椭球的主轴绕z轴旋转了轴旋转了45o角，角，此转角此转角与外加电场的大小无关与外加电场的

14、大小无关，其折射率变化与电场成正比，其折射率变化与电场成正比，n值值称为电致折射率变化称为电致折射率变化。这是。这是利用电光效应实现光调制、调利用电光效应实现光调制、调Q、锁模等技术的物理基础。锁模等技术的物理基础。631. 1. 的纵向电光效应的纵向电光效应KDPKDP负单轴晶体负单轴晶体 切Z强电场强电场E/ZE/Z轴轴,KDP,KDP由单轴晶体变为变为双轴晶体；线偏振光沿双轴晶体；线偏振光沿Z Z轴入射，轴入射，分解成分解成X X、Y Y方向上方向上振幅相同振幅相同、但、但传传播速度不同播速度不同的两个线偏振光。的两个线偏振光。光传播方向与光传播方向与电场方向一致电场方向一致起偏器 lK

15、DP晶体沿晶体沿z轴加电场时，由单轴晶体变成了轴加电场时，由单轴晶体变成了双轴晶体，折射率椭球的主轴绕双轴晶体，折射率椭球的主轴绕z轴逆时针旋轴逆时针旋转了转了450角，此转角与外加电场的大小无关。角，此转角与外加电场的大小无关。ncv 在新的感应折射率主轴座标系在新的感应折射率主轴座标系xyz下，下，折射率椭球方程变为折射率椭球方程变为122 22 22 zyxnznynx沿光轴加电场后，沿光轴加电场后，xoy截面由圆变截面由圆变为椭圆为椭圆三个感应主轴的折射率分别为三个感应主轴的折射率分别为xyxyezooyooxnnEnnnEnnn6336332121沿沿x方向偏振的方向偏振的传传播速度

16、加大，播速度加大， x叫叫快轴快轴；沿沿y方向偏方向偏振的振的传播速度减小，传播速度减小， y 叫慢轴叫慢轴。式中，式中，n no o为为KDPKDP晶体晶体o o光折射率，光折射率， 为电光系数。为电光系数。63相速度相速度ncvX X、Y Y方向两偏振光射出晶体时有光程差方向两偏振光射出晶体时有光程差: :3321063063()nnLnELnU 则相位差为：则相位差为：半波电压半波电压 : 造成光程差造成光程差/2U306322nU 2/320632UnELU 电光相位延迟电光相位延迟：在：在X、Y两个方向的传播速度如果不同两个方向的传播速度如果不同, 则在则在传播过程中会产生相位延迟的

17、现象，即产生相位差。传播过程中会产生相位延迟的现象，即产生相位差。2. 2. 的横向电光效应的横向电光效应63光传播方向与光传播方向与电场方向垂直电场方向垂直对对KDPKDP晶体采用晶体采用4545-Z-Z切。强电场切。强电场E/ZE/Z轴轴,KDP,KDP变为双轴晶体。变为双轴晶体。入射光沿入射光沿X X轴方向进入晶体，轴方向进入晶体，其偏振方向与其偏振方向与Z Z、Y Y成成4545，在晶体中分解为，在晶体中分解为Z Z、Y Y方向两个振幅相同的线偏振光。方向两个振幅相同的线偏振光。与与Z Z轴对应的主折射率：轴对应的主折射率：enn 3与与Y Y轴对应的主折射率：轴对应的主折射率： Ennn63302