光電測試技術(shù)光調(diào)制

光電測試技術(shù)光調(diào)制第1頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月光調(diào)制器件概念：利用各種物理效應對光的振幅，頻率，相位，偏振狀態(tài)和傳播方向等參量進行調(diào)制的器件，又稱為光控器件對光的振幅進行調(diào)制也就是對光強進行調(diào)制性能穩(wěn)定、調(diào)制度高，損耗小、相位均勻有一定的帶寬工作基礎：物質(zhì)對外來作用產(chǎn)生的各種物理效應電光效應聲光效應磁光效應第2頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月電光器件一類光學介質(zhì)受到外電場作用時，它的折射率將隨著外電場變化，介電系數(shù)和折射率都和方向有關，在光學性質(zhì)上變?yōu)楦飨虍愋?。?頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月電光效應(Inducedopticaleffects)

各向同性物質(zhì)外界作用各向異性物質(zhì)各向異性物質(zhì)外界作用物質(zhì)的各向異性變化第4頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月1.機械感應---光彈效應(Photoelasticity)

各向同性或異性材料在外力作用下可產(chǎn)生各向異性的變化，

例如：玻璃或塑料 拉伸或壓縮 各向異性

應力分析------光彈力學

工程應用干涉色的分布 受力分布

通常情況下，拉伸成為正單軸材料；

壓縮 成為負單軸材料；

第5頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月2.電感應---電光效應(Electro-opticaleffect)

在一些各向同性材料上加上電場各向異性電致雙折射,雙折射大小與電場強度有關a.Kerr效應（1875年）

各向同性透明介質(zhì)在電場下成為單軸雙折射材料，光軸平行于電場，平行于電場的光振動的折射率為n||，垂直于電場的光振動的折射率為n⊥折射率變化量與外電場強度平方成比例第6頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月液晶空間光調(diào)制器(了解)有些物質(zhì)不是直接由固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)，而是經(jīng)過一個過渡相態(tài)，這時，它一方面具有液體的流動性質(zhì)，同時又有晶體的特性(如光學、力學、熱學的各向異性)，這種過渡相態(tài)稱之為“液晶”。液晶是一種有機化合物，一般由棒狀柱形對稱的分子構(gòu)成，具有很強的電偶極矩和容易極化的化學團。對這種物質(zhì)施加外場(電、熱、磁等)，液晶分子的排列方向和液晶分子的流動位置就會發(fā)生變化，即改變液晶的物理狀態(tài)。如對液晶施加電場，它的光學性質(zhì)就發(fā)生變化，這就是液晶的電光效應。第7頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月a.Kerr效應（1875年）

-----各向同性透明介質(zhì)在電場下成為單軸雙折射材料，光軸平行于電場，平行于電場的光振動的折射率為n

||，垂直于電場的光振動的折射率為n⊥

Kerr盒利用kerr效應制成的調(diào)制器（內(nèi)裝電致雙折射材料有電光效應的液體有機化合物）液體中的Kerr效應裝置第8頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月b.Pockels效應（1893年）

一些晶體（電光晶體），加上外電場后，單軸晶體成為雙軸晶體，雙折射大小與電場強度得一次方成正比Pockels效應（線性電光效應）

Pockels實驗第9頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月----一次電光效應所需電壓比Kerr效應要低，同樣可做成高速開關第10頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月

聲波是一種彈性波(縱向應力波)，在介質(zhì)中傳播時，它使介質(zhì)產(chǎn)生相應的彈性形變，從而激起介質(zhì)中各質(zhì)點沿聲波的傳播方向振動，引起介質(zhì)的密度呈疏密相間的交替變化，因此，介質(zhì)的折射率也隨著發(fā)生相應的周期性變化。超聲場作用的這部分如同一個光學的“相位光柵”，該光柵間距(光柵常數(shù))等于聲波波長s。當光波通過此介質(zhì)時，就會產(chǎn)生光的衍射。其衍射光的強度、頻率、方向等都隨著超聲場的變化而變化。

1．3聲光調(diào)制吸聲裝置LaserinLaserout第11頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月

聲波在介質(zhì)中傳播分為行波和駐波兩種形式。圖1.3—1所示為某一瞬間超聲行波的情況，其中深色部分表示介質(zhì)受到壓縮，密度增大，相應的折射率也增大，而白色部分表示介質(zhì)密度減小，對應的折射率也減小。在行波聲場作用下，介質(zhì)折射率的增大或減小交替變化，并以聲速s(一般為n大n小103m／s量級)向前推進。由于聲速僅為光速(108m)的數(shù)十萬分之—，所以對光波來說，運動的“聲光柵”可以看作是靜止的。設聲波的角頻率為s，波矢為ks（＝2/s)，則第12頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月或者寫成：這里n=-ksA，則行波時的折射率：此處n=-(1/2)no3PS，（1.3-3’)式中，S為超聲波引起介質(zhì)產(chǎn)生的應變，P為材料的彈光系數(shù)(激光器件與技術(shù)教程的附錄Ⅲ)。式中a為介質(zhì)質(zhì)點的瞬時位移，A為質(zhì)點位移的幅度?？山频卣J為，介質(zhì)折射率的變化正比于介質(zhì)質(zhì)點沿x方向位移的變化率，即(1.3-1)聲波的方程為第13頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月聲駐波是由波長、振幅和相位相同，傳播方向相反的兩束聲波疊加而成的，如圖1.3-2所示。其聲駐波方程為上式說明，聲駐波的振幅為2Acos(2πx/λs)，它在x方向上各點不同，但相位2πt/Ts在各點均相同。同時，由上式還可看出，在x＝nλs/2或2nλs/4(n=0,1,2,…)各點上，駐波的振幅為極大(等于2A)，這些點稱為波腹，波腹間的距離為λs／2。在x＝(2n+1)λs／4的各點上，駐波的振幅為零，這些點稱為波節(jié)，波節(jié)之間的距離也是λs／2。(1.3-4)圖1.3-2超聲駐波x＝nλs/2x＝(2n+1)λs／4第14頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月由于聲駐波的波腹和波節(jié)在介質(zhì)中的位置是固定的，因此它形成的光柵在空間也是固定的。聲駐波形成的折射率變化(正比于介質(zhì)質(zhì)點沿x方向位移的變化率,對上式求導并令△n=-4Aπ/λs)(1.3-5)聲駐波在一個周期內(nèi)，介質(zhì)兩次出現(xiàn)疏密層，且在波節(jié)處密度保持不變，因而折射率每隔半個周期(Ts／2)就在波腹處變化一次，由極大(或極小)變?yōu)闃O小(或極大)。在兩次變化的某一瞬間，介質(zhì)各部分的折射率相同，相當于一個沒有聲場作用的均勻介質(zhì)。若超聲頻率為fs，那么光柵出現(xiàn)和消失的次數(shù)則為2fs，因而光波通過該介質(zhì)后所得到的調(diào)制光的調(diào)制頻率將為聲頻率的兩倍。第15頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月

按照聲波頻率的高低以及聲波和光波作用長度的不同，聲光互作用可以分為拉曼—納斯(Raman—Nath)衍射和布拉格(Bragg)衍射兩種類型。二、聲光相互作用的兩種類型

當超聲波頻率較低，光波平行于聲波面入射(即垂直于聲場傳播方向)，聲光互作用長度L較短時，產(chǎn)生拉曼—納斯衍射。第16頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月當超聲波頻率較低，光波平行于聲波面入射(即垂直于聲場傳播方向)，聲光互作用長度L較短時，產(chǎn)生拉曼—納斯衍射。由于聲速比光速小很多，故聲光介質(zhì)可視為一個靜止的平面相位光柵。而且聲波長λs比光波長λ大得多，當光波平行通過介質(zhì)時，幾乎不通過聲波面，因此只受到相位調(diào)制，即通過光學稠密(折射率大)部分的1拉曼-納斯衍射第17頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月光波波陣面將推遲，而通過光學疏松(折射串小)部分的光波波陣面將超前，于是通過聲光介質(zhì)的平面波波陣面出現(xiàn)凸凹現(xiàn)象，變成一個折皺曲面，如圖1.3-3所示。由出射波陣面上各子波源發(fā)出的次波將發(fā)生相干作用，形成與入射方向?qū)ΨQ分布的多級衍射光，這就是拉曼—納斯衍射。第18頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月當聲波頻率較高，聲光作用長度L較大，而且光束與聲波波面間以一定的角度斜入射時，光波在介質(zhì)中要穿過多個聲波面，故介質(zhì)具有“體光柵”的性質(zhì)。當入射光與聲波面間夾角滿足一定條件時，介質(zhì)內(nèi)各級衍射光會相互干涉，各高級次衍射光將互相抵消，只出現(xiàn)0級和+l級(或-1級)(視入射光的方向而定)衍射光，即產(chǎn)生布拉格衍射(類似于閃耀光柵），如圖1.3-5所示。因此，若能合理選擇參數(shù)，超聲場足夠強，可使入射光能量幾乎全部轉(zhuǎn)移到+1級(或-1級)衍射極值上。因而光束能量可以得到充分利用，因此，利用布拉格衍射效應制成的聲光器件可以獲得較高的效率。2.布拉格（Bragg)衍射(1)各向同性介質(zhì)中的正常布拉格衍射。第19頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月聲光體調(diào)制器是由聲光介質(zhì)、電—聲換能器、吸聲(或反射)裝置及驅(qū)動電源等所組成，如圖1.3—11所示。(1)聲光介質(zhì)，聲光介質(zhì)是聲光互作用的場所。當一束光通過變化的超聲場時，由于光和超聲場的互作用，其出射光就具有隨時間而變化的各級衍射光，利用衍射光的強度隨超聲波強度的變化而變化的性質(zhì)，就可以制成光強度調(diào)制器。圖1.3-11聲光調(diào)制器結(jié)構(gòu)吸聲裝置LaserinLaserout三、聲光體調(diào)制器1．聲光體調(diào)制器的組成(2)電—聲換能器(又稱超聲發(fā)生器)(3)吸聲(或反射)裝置(放置在超聲源的對面)。(4)驅(qū)動電源它用以產(chǎn)生調(diào)制電信號施加于電—聲換能器的兩端電極上，驅(qū)動聲光調(diào)制器(換能器)工作。第20頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月三、磁致雙折射科頓—穆頓效應：某些透明液體在磁場H作用下變?yōu)楦飨虍愋远涡艌龊軓姴拍苡^察到性質(zhì)類似于單軸晶體光軸平行磁場HC第21頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月法拉弟發(fā)現(xiàn)，許多物質(zhì)在磁場的作用下可使穿過它的平面偏振光的偏振方向旋轉(zhuǎn)（在光的傳播方向上加上強磁場時）一、法拉弟效應（磁致旋光效應）Ｈd第22頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月振動面旋轉(zhuǎn)的角度由經(jīng)驗公式給出：

式中為靜磁通量，為光所穿越的媒質(zhì)長度，是比例因子，稱費爾德常數(shù)，一種特定媒質(zhì)的費爾德常數(shù)隨頻率和溫度而變。第23頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月實際例子對于氣體，約為，固體和液體為的量級。如對于1厘米長的樣品，高斯的磁場，，此時振動面將轉(zhuǎn)動。第24頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月顯然，法拉弟效應可用來設計光調(diào)制器，欲提高效率必須每單位長度的材料對光的吸收要盡量小，而偏振面旋轉(zhuǎn)的角度要盡量大，為此，人們研制了許多奇特的鐵磁材料，如ＬeCraw利用人工生長的釔鐵石榴石（YIG）磁性晶體，它的費爾德數(shù)可以達到(對波長，溫度范圍)。第25頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月利用法拉第效應測磁場

實驗裝置圖

調(diào)制電壓恒定磁場起偏器起偏器第26頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月

線偏振光從左面進入晶體，橫向的直流磁場使YIG晶體在此方向上引起磁化飽和，而總的磁化強度矢量（由恒定磁場和線圈磁場所引起）可以改變方向，它對晶體軸的傾斜角度正比于線圈中的調(diào)制電流。因為法拉弟旋轉(zhuǎn)依賴于磁化強度的軸向分量，所以線圈電源控制了角，檢偏器按照馬呂定律把這一偏振調(diào)制轉(zhuǎn)換為振幅調(diào)制。也就是說，要傳遞的信息作為調(diào)制電壓加在線圈上，則出射的激光束以振幅變化的形式攜帶著信息。第27頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月這樣，為了獲得更大的法拉弟效應，可以將放在磁場中的法拉弟材料做成平行六面體，使通光面對光線方向稍偏離垂直位置，并將兩面鍍層反射膜，只留入口和出口，這樣，若光束在其間反射次后出射，則有效旋光厚度為，則偏振面的旋轉(zhuǎn)角度將提高倍。高反射膜第28頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月

磁致旋光效應的旋轉(zhuǎn)方向僅與磁場方向有關，而與光線傳播方向的正逆無關，這是磁致旋光現(xiàn)象與晶體的自然旋光現(xiàn)象不同之處(