發(fā)光器件與光控器件.ppt

1、第五章 發(fā)光器件與光控器件,一、發(fā)光器件 光的發(fā)生一般有兩種方式，即溫度輻射與發(fā)光，溫度輻射就是指物體在高溫加熱時(shí)的輻射，例如電燈變亮就是鎢絲加熱的結(jié)果。 在溫度引起的輻射之外的物體固有的有選擇性的輻射現(xiàn)象統(tǒng)稱為發(fā)光。發(fā)光又因激發(fā)方式和物質(zhì)而有所不同，因此又分為光致發(fā)光，陰極射線發(fā)光，放射線發(fā)光，電致發(fā)光，注入式電發(fā)光等。 一切由輻射體的分子和原子的熱運(yùn)動(dòng)（振動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)）而產(chǎn)生的全部輻射叫熱輻射，輻射體的溫度上升時(shí)，其帶電粒子的動(dòng)能增加。 因而其發(fā)射的輻通量也增加。同時(shí)， 物體的溫度增高時(shí)，不但它的輻射量也增大，而且它的光譜組成也有變化。當(dāng)運(yùn)動(dòng)的粒子具有很大動(dòng)能（即輻射體的溫度很高）時(shí)，就能產(chǎn)生

2、可見的輻射。,光致發(fā)光材料的主要作用是將一種波長的光轉(zhuǎn)換為另一種波長，即它能吸收一種波長的入射光、而后發(fā)射另一種波長的光。（即在發(fā)光材料中用能量高的光子激發(fā)能量低的光子）?，F(xiàn)在已發(fā)現(xiàn)有些材料可將長波光轉(zhuǎn)換成短波光（即幾個(gè)能量小的光子激發(fā)出一個(gè)能量高的光子）。光致發(fā)光的主要應(yīng)用是照明和一些特殊光源。例如用于日光燈、黑光燈、高壓水銀熒光燈等。,下面主要介紹激光器和半導(dǎo)體發(fā)光二極管這兩種發(fā)光器件。 1、激光器,激光器是一種新型光源，和鎢絲燈等常見光源相比，有許多突出的特點(diǎn)：方向性強(qiáng)、單色性好、相干性好、亮度高等。激光的發(fā)散角很小，只有幾毫弧，激光束幾乎就是一條直線。氦氖激光的譜線寬度，只有 nm，顏

3、色非常純。激光的產(chǎn)生和一般光不同，它的發(fā)光原子彼此間都密切聯(lián)系著，各發(fā)光原子所發(fā)出的光，振動(dòng)方向、頻率、相位等都相同，因此具有良好的相干條件。激光的能量十分集中，一臺(tái)巨脈沖紅寶石激光器的亮度可達(dá) ，比太陽表面的亮度還高若干倍。,下面簡要介紹兩種激光器的工作過程和特點(diǎn) 1)氦氖激光器 氦氖激光器的工作物質(zhì)是氦氖混合氣，利用氣體電離的方法使粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。主要發(fā)光物質(zhì)是氖氣。但是如果只使用氖氣，電離電壓必須很高，所以要摻入適量的氦，首先使氦氣電離，然后利用氦氣電離時(shí)產(chǎn)生的電子去電離氖氣。,氦氖激光器能夠發(fā)出三種波長的譜線，即0.6328m、1.15m、3.39m；其中最常用的是波長為0.6328m（桔

4、紅色）的激光。,2)注入式半導(dǎo)體激光器 注入式半導(dǎo)體激光器的基本結(jié)構(gòu)就是一個(gè)PN結(jié)，為了產(chǎn)生激光。半導(dǎo)體要進(jìn)行重?fù)诫s，雜質(zhì)濃度為 。在這樣高的雜質(zhì)濃度下，PN結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)如下圖a所示。當(dāng)給PN結(jié)加以正電壓（P端接高電位）時(shí)，PN結(jié)的能帶則變?yōu)閳Db的形式。,注入式半導(dǎo)體激光器中PN結(jié)的能帶,這時(shí)，電子要從N區(qū)向P區(qū)注入，空穴要從P區(qū)向N區(qū)注入。在結(jié)區(qū)，導(dǎo)帶中電子的數(shù)目將超過價(jià)帶中電子的數(shù)目，從而即實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)帶對(duì)于價(jià)帶的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。,另外，作為激光器還要有諧振腔，它是利用半導(dǎo)體晶體的自然解理面來充當(dāng)?shù)?。例如，砷化鎵晶體是立方形的，有三組彼此垂直的晶面，每組晶面嚴(yán)格的彼此平行，而且極光滑，經(jīng)過適當(dāng)加工

5、即可成為諧振腔。,砷化鎵單晶,半導(dǎo)體激光器,注入式半導(dǎo)體激光器的工作過程如下： 加外電源使PN結(jié)進(jìn)行正偏置。正向電流達(dá)到一定程度時(shí)，PN結(jié)區(qū)即發(fā)生導(dǎo)帶對(duì)于價(jià)帶的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。 這時(shí)，導(dǎo)帶中的電子會(huì)有一部分發(fā)生輻射躍遷，同時(shí)產(chǎn)生自發(fā)輻射。自發(fā)輻射出來的光，是無方向性的。但其中總會(huì)有一部分光是沿著諧振腔腔軸方向傳播的，往返于半導(dǎo)體之間。 通過這種光子的誘導(dǎo)，即可使導(dǎo)帶中的電子產(chǎn)生受激輻射（光放大）。受激輻射出來的光子又會(huì)進(jìn)一步去誘導(dǎo)導(dǎo)帶中的其它電子產(chǎn)生受激輻射。如此下去，在諧振腔中即形成了光振蕩，從諧振腔兩端發(fā)射出激光。,半導(dǎo)體激光器發(fā)光原理示意圖,制作半導(dǎo)體激光器的材料多為 ，發(fā)光波長為80090

6、0nm，(隨x而變化），譜線寬度約031nm。有些激光器為了使激光從芯片的一端發(fā)出，而在芯片的另一端常涂以金或銀的薄作為反射膜。 半導(dǎo)體激光器的優(yōu)點(diǎn)是，電光轉(zhuǎn)換效率高，體積小，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，使用方便。因此多用作便攜式光源。此外，使用半導(dǎo)體激光泵浦倍頻晶體產(chǎn)生藍(lán)綠色激光，拓展了廣闊的應(yīng)用前景。,2、半導(dǎo)體發(fā)光二極管 半導(dǎo)體發(fā)光二極管和注入式半導(dǎo)體激光器類似，也是一個(gè)PN結(jié)，也是利用外電源向PN結(jié)注入電子來發(fā)光的。只是它的結(jié)構(gòu)公差沒有激光器那么嚴(yán)格，而且無粒子數(shù)反轉(zhuǎn)、諧振腔等條件要求。所以，所發(fā)出的光不是激光，而是熒光。由于它的結(jié)構(gòu)簡單，體積小，工作電流小，使用方便，成本低，所以在光電系統(tǒng)中應(yīng)用得也極

7、為普遍。,發(fā)光二極管按發(fā)光波長來分，有紅外發(fā)光二極管和可見光發(fā)光二極管（LCD）兩種。它們的結(jié)構(gòu)原理都是類似的，下面著重以紅外發(fā)光二極管為例作一介紹,1)發(fā)光二極管的發(fā)光原理 發(fā)光二極管的發(fā)光原理同樣可以用前圖PN結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)來解釋。制作半導(dǎo)體發(fā)光二極管的材料是重?fù)诫s的，熱平衡狀態(tài)下的N區(qū)有很多遷移率很高的電子，P區(qū)有較多的遷移率較低的空穴。由于PN結(jié)阻擋層的限制，在常態(tài)下，二者不能發(fā)生自然復(fù)合。而當(dāng)給PN結(jié)加以正向電壓時(shí)，溝區(qū)導(dǎo)帶中的電子則可逃過PN結(jié)的勢(shì)壘進(jìn)入到P區(qū)一側(cè)。于是在PN結(jié)附近稍偏于P區(qū)一邊的地方，處于高能態(tài)的電子與空穴相遇時(shí)，便產(chǎn)生發(fā)光復(fù)合。這種發(fā)光復(fù)合所發(fā)出的光屬于自發(fā)輻射，

8、輻射光的波長決定于材料的禁帶寬度 ，即 由于不同材料的禁帶寬度不同，所以由不同材料制成的發(fā)光二極管可發(fā)出不同波長的光。另外，有些材料由于組分和摻雜不同，例如，有的具有很復(fù)雜的能帶結(jié)構(gòu)，相應(yīng)的還有間接躍遷輻射等，因此有各種各樣的發(fā)光二極管。,通過發(fā)光二極管的電流與加到二極管兩端電壓之間的關(guān)系，稱為發(fā)光二極管的伏安特性。圖中， 為開啟電壓。U 時(shí)，二極管導(dǎo)通發(fā)光。U 時(shí)，二極管截止不發(fā)光。 的大小與材料、工藝等因素有關(guān)。一般GaAs管的 約為1.3V；GaP管的 約為2V；GaAsP管的 約為1.6V；GaAlAs管的 約為1.55V。,2)發(fā)光二極管的主要特性 （1）伏安特性,發(fā)光二極管伏安特性

9、曲線,(2)發(fā)光亮度 發(fā)光二極管的發(fā)光亮度，基本上是正比于電流密度的（如圖給出的是各種發(fā)光二極管的光出射度與電流密度關(guān)系），由圖可見，一般管的發(fā)光亮度都與電流密度成正比例，只有”GaP紅”的發(fā)光亮度略有隨電流密度的增加而趨于飽和的現(xiàn)象。亮度正比于電流密度這種性質(zhì)，對(duì)于采用脈沖驅(qū)動(dòng)的方式是很有利的，它可以在平均電流與直流電流相等的情況下，獲得很高的亮度。,各種發(fā)光二極管發(fā)光出射度與電流密度的關(guān)系曲線,（3）光譜特性,幾種LED的光譜特性曲線,發(fā)光二極管所發(fā)出的光不是純單色光，但是，除了激光外，它的譜線寬度都比其它光源所發(fā)出光的譜線窄。例如，砷化鎵發(fā)光二極管的譜線寬度只有25nm。因此，可認(rèn)為是單

10、色光。其它發(fā)光二極管的光譜特性曲線示于圖。,（4）溫度特性 溫度對(duì)PN結(jié)的復(fù)合發(fā)光是有影響的，在偏置電壓不變的情況下，結(jié)溫升高到一定程度后，電流將變小，發(fā)光亮度減弱，電流與溫度的關(guān)系大致如上圖所示。,發(fā)光電流與溫度的關(guān)系曲線,（5）時(shí)間響應(yīng) 這里說的時(shí)間響應(yīng)，是指發(fā)光二極管啟亮與熄滅時(shí)的時(shí)間延遲。發(fā)光二極管的響應(yīng)時(shí)間很短，一般只有幾納秒至幾十納秒。當(dāng)利用脈沖電流去驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管時(shí)，應(yīng)考慮到脈沖寬度、空度比與響應(yīng)時(shí)間的關(guān)系。 （6）壽命 發(fā)光二極管的壽命都很長，在電流密度j1A/ 的情況下，可達(dá) h以上。不過，電流密度對(duì)二極管的壽命是有影響的，電流密度大時(shí)，發(fā)光亮度高，壽命就會(huì)很快縮短。,3)發(fā)

11、光二極管的使用要點(diǎn) (1)開啟電壓 發(fā)光二極管的電特性和溫度特性都與普通的硅、鍺二極管類似。只是正向開啟電壓一般都比普通的硅、鍺二極管大些，而且因品種而異。 (2)溫度特性 利用發(fā)光二極管和硅的受光器件進(jìn)行組合使用時(shí)，應(yīng)注意到二者的溫度特性是相反的。溫度升高時(shí)，發(fā)光二極管的電光轉(zhuǎn)換效率變小，亮度減弱。而硅的受光器件，光電轉(zhuǎn)換效率卻是增加的。所以使用時(shí)，應(yīng)把二者放到一起考慮，注意其組合后的整體溫度特性。 (3)方向特性 發(fā)光二極管一般都帶有圓頂?shù)牟ＡТ埃?dāng)利用它和受光器件組合時(shí)，應(yīng)注意到這一結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)。發(fā)光管與受光管二者對(duì)得不準(zhǔn)時(shí)，效果會(huì)變得很差。,二、光控器件 光控器件是對(duì)光的參量（振幅、頻

12、率、相位、偏振狀態(tài)和傳播方向等）進(jìn)行控制的器件。使光的參量發(fā)生變化的過程稱為調(diào)制。一般應(yīng)用最多的是對(duì)光的振幅調(diào)制。因?yàn)楣鈴?qiáng)與光的振幅平方成正比例，因此對(duì)光的振幅調(diào)制也就是對(duì)光強(qiáng)的調(diào)制。,光的調(diào)制，有內(nèi)調(diào)制與外調(diào)制兩種。 內(nèi)調(diào)制是指從發(fā)光器的內(nèi)部采取措施，使光受到的調(diào)制。例如，半導(dǎo)體激光器和半導(dǎo)體發(fā)光二極管所發(fā)的光，都與通過它的電流強(qiáng)度成正比例，改變電流強(qiáng)度，也就改變了它們的發(fā)光強(qiáng)度；激光器的發(fā)光都與光腔有關(guān)，如果把調(diào)制措施引入到光腔里面來，使調(diào)制器和光腔結(jié)成一個(gè)整體，也可以使出射光受到調(diào)制。一般內(nèi)調(diào)制的特點(diǎn)是，發(fā)光機(jī)制和調(diào)制機(jī)制緊密聯(lián)系，實(shí)行起來，有的簡單，有的復(fù)雜，多數(shù)情形不易調(diào)整。 外調(diào)制

13、是指發(fā)光器和調(diào)制器是分開設(shè)立的，使光在傳播過程中受到調(diào)制的一種方式。其特點(diǎn)是，發(fā)光器與調(diào)制器沒有內(nèi)在聯(lián)系，實(shí)行起來比較簡單，而且容易調(diào)整。所以，現(xiàn)在光電裝置中多數(shù)都采用外調(diào)制方式。 調(diào)制器的性能對(duì)調(diào)制質(zhì)量影響很大，一般對(duì)調(diào)制器的要求是，性能穩(wěn)定，調(diào)制度高，損耗小，相位均勻，有一定的帶寬等。,1、電光調(diào)制器件 電光效應(yīng)指一些光學(xué)介質(zhì)在外電場(chǎng)的作用下，光學(xué)特性會(huì)發(fā)生改變。當(dāng)其受到外電場(chǎng)作用時(shí)，它的折射率將隨著外電場(chǎng)變化，介電系數(shù)和折射率都與方向有關(guān)，要用張量來描述，在光學(xué)性質(zhì)上變?yōu)楦飨虍愋?；而不受外電?chǎng)作用時(shí)，介電系數(shù)和折射率都是標(biāo)量，與方向無關(guān)，在光學(xué)性質(zhì)上是各向同性的。 已發(fā)現(xiàn)兩種電光效應(yīng)，一

14、種是折射率的變化量與外電場(chǎng)強(qiáng)度的一次方成比例，稱為泡克耳斯（Pockels）效應(yīng)；另一種是折射率的變化量與外電場(chǎng)強(qiáng)度的二次方成比例，稱為克爾（Kerr）效應(yīng)。利用克爾效應(yīng)制成的調(diào)制器，稱為克爾盒，其中的光學(xué)介質(zhì)為具有電光效應(yīng)的液體有機(jī)化合物。利用泡克耳斯效應(yīng)制成的調(diào)制器，稱為泡克耳斯盒，其中的光學(xué)介質(zhì)為非中心對(duì)稱的壓電晶體。泡克耳斯盒又有縱向調(diào)制器和橫向調(diào)制器兩種。,幾種電光調(diào)制器的基本結(jié)構(gòu)形式 克爾盒 b) 縱調(diào)的泡克耳斯盒 c) 橫調(diào)的泡克耳斯盒,圖中，P、Q分別為起偏器和檢偏器，安裝時(shí)使它們的光軸方向彼此垂直。,1)電光調(diào)制器的原理 當(dāng)不給克爾盒加電壓時(shí)，盒中的介質(zhì)是透明的，各向同性的非

15、偏振光經(jīng)過P后變?yōu)檎駝?dòng)方向平行P光軸的平面偏振光。 通過克爾盒時(shí)不改變振動(dòng)方向。到達(dá)Q時(shí)，因光的振動(dòng)方向垂直于Q光軸而被阻擋，所以Q沒有光輸出。,給克爾盒加電壓時(shí)，盒中的介質(zhì)則因有外電場(chǎng)的作用而具有單軸晶體的光學(xué)性質(zhì)，光軸的方向平行于電場(chǎng)。這時(shí)，通過它的平面偏振光則改變其振動(dòng)方向。所以，經(jīng)過起偏器P產(chǎn)生的平面偏振光，通過克爾盒后，振動(dòng)方向就不再與Q光軸垂直，而是在Q光軸方向上有光振動(dòng)的分量，所以，此時(shí)Q就有光輸出了。,Q的光輸出強(qiáng)弱，與盒中的介質(zhì)性質(zhì)、幾何尺寸、外加電壓大小等因素有關(guān)。對(duì)于結(jié)構(gòu)已確定的克爾盒來說，如果外加電壓是周期性變化的，則Q的光輸出必然也是周期性變化的。由此即實(shí)現(xiàn)了對(duì)光的調(diào)

16、制。,對(duì)前圖a而言的幾個(gè)量的方位關(guān)系圖,右圖示出幾個(gè)偏振量的方位關(guān)系，其中，光的傳播方向平行于z軸（垂直于屏幕向里）；M和N分別為起偏器P和檢偏器Q的光軸方向，二者彼此垂直；為M與y軸的夾角，為N與y軸的夾角，+/2；外電場(chǎng)使克爾盒中電光介質(zhì)產(chǎn)生的光軸方向平行于x軸；o光垂直于xz面，e光在xz面內(nèi)。,設(shè)自然光經(jīng)過P后所產(chǎn)生的平面偏振光為 Esint 由于此光的傳播方向垂直于介質(zhì)光軸，所以，它通過介質(zhì)時(shí)產(chǎn)生雙折射。但是，這個(gè)光的o光和e光在介質(zhì)中的折射率不同，而且o光的振動(dòng)方向垂直于主截面（光軸與光線所構(gòu)成的平面），e光的振動(dòng)方向在主截面內(nèi)，所以，o光和e光在介質(zhì)中的傳播速度不同。這兩種光在介

17、質(zhì)的輸入端是同相的，而通過一定厚度的介質(zhì)達(dá)到輸出端時(shí)，將要有一定的相位差。因此，o光和e光在介質(zhì)輸出端的表達(dá)式為 e光， Esintsin o光， Esin(t+)cos 式中，下標(biāo)l代表介質(zhì)厚度，代表o、e光通過厚度為l的介質(zhì)后所產(chǎn)生的相位差。,此式對(duì)于克爾盒和泡克耳斯盒都適用，其中的 隨著盒中介質(zhì)的不同而不同。,對(duì)于具有克爾效應(yīng)的介質(zhì)，理論分析指出，o、e光通過厚度為l的介質(zhì)后，所產(chǎn)生的相位差為 式中，k克爾系數(shù)，與介質(zhì)種類有關(guān)； U加到克爾盒兩電極板上的電壓； d兩電極板間的距離。 可見，克爾盒中 與U的平方成線性關(guān)系。 現(xiàn)作如下的討論： 1）如果U=0，則 =0，I=0。這是不給克爾盒

18、加電壓，Q無光輸出時(shí)的情形。 2）如果 ，則 ，I 。這是給克爾盒加電壓，而所加的電壓又滿足上式的情形，這時(shí)Q有最大的光輸出。o、e光相位差等于，相應(yīng)的光程差為/2，即( - )l=/2。這時(shí)克爾盒的作用，相當(dāng)于一個(gè)1/2波片。所以，將滿足這一條件的電壓稱為半波電壓，記以 或 。,3）如果0U ，則0 ， 。這即是介于以上二者之間的情形。Q將因 的不同而要阻擋一部分光，Q的光輸出，將是以 /2為參量，按正弦平方的規(guī)律變化。,克爾效應(yīng)的時(shí)間響應(yīng)特別快，可跟得上1010Hz的電壓變化，因此可用它來作高速的電光開關(guān)。如果加到克爾盒上的電壓是由其它物理量轉(zhuǎn)換來的調(diào)制信號(hào)，克爾盒的光輸出就要隨著信號(hào)電壓

19、而變化，這時(shí)克爾盒就是電光調(diào)制器。,克爾盒中所用的介質(zhì)，多數(shù)都是液體，但也有少數(shù)固體，如鈮酸鉭鉀和鈦酸鋇晶體等。半波電壓一般為數(shù)千伏。,泡克耳斯盒里所裝的是具有泡克耳斯效應(yīng)的電光晶體，它的自然狀態(tài)就有單軸晶體的光學(xué)性質(zhì)，安裝時(shí)，使晶體的光軸平行于入射光線。因此，縱向調(diào)制的泡克耳斯盒，電場(chǎng)平行于光軸，橫向調(diào)制的泡克耳斯盒，電場(chǎng)垂直于光軸。 二者比較，橫調(diào)的兩電極間距離短，所需的電壓低，而且可采用兩塊相同的晶體來補(bǔ)償因溫度因素所引起的自然雙折射，但橫調(diào)的泡克耳斯盒的調(diào)制效果不如縱調(diào)的好，目前這兩種形式的器件都很常用。,b) 縱調(diào)的泡克耳斯盒 c) 橫調(diào)的泡克耳斯盒,以縱調(diào)的泡克耳斯盒為例說明其電光

20、調(diào)制原理。在不給泡克耳斯盒加電壓時(shí)，由于P產(chǎn)生的平面偏振光平行于光軸方向入射于晶體，所以它在晶體中不產(chǎn)生雙折射，也不分解為o、e光。當(dāng)光離開晶體達(dá)到Q時(shí)，光的振動(dòng)方向沒變，仍平行于M。因M垂直于N，故入射光被Q完全阻擋，Q無光輸出。,當(dāng)給泡克耳斯盒加以電壓時(shí)，電場(chǎng)會(huì)使晶體感應(yīng)出一個(gè)新的光軸OG。OG的方向發(fā)生于同電場(chǎng)方向相垂直的平面內(nèi)。由于這種電感應(yīng)，便使晶體產(chǎn)生了一個(gè)附加的各向異性。使晶體對(duì)于振動(dòng)方向平行于OG和垂直于OG的兩種偏振光的折射率不同，因此這兩種光在晶體中傳播速度也就不同。當(dāng)它們達(dá)到晶體的出射端時(shí)，它們之間則存在著一定的相位差。合成后，總光線的振動(dòng)方向就不再與Q的光軸N垂直，而是

21、在N方向上有分量，因此，這時(shí)Q則有光輸出。,因?yàn)榫w是各向異性的，在不同方向有不同的光學(xué)性質(zhì)，所以要用二階電光張量rij來描述。但可以證明，對(duì)于泡克耳斯盒中的晶體，因電感應(yīng)產(chǎn)生出來的兩種新偏振光（平行于OG的和垂直于OG的），只用r63一個(gè)量就夠了。這兩種偏振光，經(jīng)過厚度為l的晶體所產(chǎn)生的相位差為 式中， 晶體對(duì)于o光的折射率； r63電光系數(shù)，單位為m/V； U外加電壓； 光在真空中的波長。,對(duì)泡克耳斯盒，半波電壓為 此時(shí)， ， ，Q的光輸出最大。 泡克耳斯效應(yīng)的時(shí)間響應(yīng)也特別快，能跟得上 Hz的電壓變化，而且 與U成線性關(guān)系，所以多用泡克耳斯盒來作電光調(diào)制器。,2）電光調(diào)制器的主要性能參量

22、 （1）半波電壓 （或 ） 是使調(diào)制器光輸出達(dá)到最大時(shí)所需的電壓，這個(gè)電壓自然是越小越好。這樣，既便于操作，又可減少電功率損耗和發(fā)熱。 （2）透過率 調(diào)制器的光輸出 與光輸入 之比： 對(duì)于線性調(diào)制器，要求信號(hào)不失真，調(diào)制器的透過率與調(diào)制電壓能有良好的線性關(guān)系。可是從上式看， 在U=0附近并不是直線，而在U 附近可近似為一條直線。所以，靜態(tài)工作點(diǎn)一般都設(shè)在 /2 附近。,當(dāng)U /2時(shí)，泡克耳斯盒的作用相當(dāng)于一個(gè)/4波片。所以，為了使靜態(tài)工作點(diǎn)能設(shè)在直線區(qū)，常在泡克耳斯盒和檢偏器Q之間插入1個(gè)1/4波片。這樣即可得到與偏壓 /2相同的效果。,加/4波片的泡克耳斯盒示意圖,泡克耳斯盒加/4波片與不加

23、/4波片的區(qū)別示意圖 不加/4波片 b) 加/4波片,3）調(diào)制帶寬f f與調(diào)制器的等效電容有關(guān)，低頻時(shí)f與調(diào)制功率成正比。這就要求光波在晶體中的渡越時(shí)間 要遠(yuǎn)小于調(diào)制信號(hào)的周期T，即 式中，l晶體長度， n晶體的折射率， c真空中的光速， f調(diào)制頻率。 因此，對(duì)于一定的調(diào)制器有一最高調(diào)制頻率,4）消光比 消光比的定義是檢偏器的最大輸出與最小輸出之比， 即 / 。由于吸收、反射、散射等損耗， 總是小于入射光強(qiáng)，而 是與光束的發(fā)散角、晶體的剩余雙折射、晶體的厚度和均勻性、電場(chǎng)的均勻性以及對(duì)偏振器的調(diào)整等因素有關(guān)。目前對(duì)單色、小發(fā)散角的激光束來說，消光比可達(dá)10010000。,1.敘述半導(dǎo)體激光器和

24、發(fā)光二極管的發(fā)光原理 2敘述電光調(diào)制器克爾盒的工作原理,2、聲光調(diào)制器件與偏轉(zhuǎn)器件 聲光效應(yīng)：聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，會(huì)引起介質(zhì)密度（折射率）周期性變化，可將此聲波視為一種條紋光柵，光柵的柵距等于聲波的波長，當(dāng)光波入射于聲光柵時(shí)，即發(fā)生光的衍射。 聲光器件是基于聲光效應(yīng)的原理來工作的，分為聲光調(diào)制器和聲光偏轉(zhuǎn)器兩類，它們的原理、結(jié)構(gòu)、制造工藝相同，只是在尺寸設(shè)計(jì)上有所區(qū)別。,聲光器件的基本結(jié)構(gòu)示意圖,聲光器件由聲光介質(zhì)和換能器兩部分組成。常用的聲光介質(zhì)有鉬酸鉛晶體（PM）、氧化碲晶體和熔石英等。換能器即超聲波發(fā)生器，它是利用壓電晶體使電壓信號(hào)變?yōu)槌暡?，并向聲光介質(zhì)中發(fā)射的一種能量變換器。,聲光相

25、互作用有兩種情形： 1.正常光聲相互作用。介質(zhì)的光學(xué)性質(zhì)是各向同性的，介質(zhì)的折射率與入射光的方向、偏振狀態(tài)無關(guān)，此時(shí)，入射光的折射率、偏振狀態(tài)與衍射光的折射率、偏振狀態(tài)相同?？蓮母飨蛲越橘|(zhì)中光的波動(dòng)方程出發(fā)，利用介質(zhì)應(yīng)變與折射率變化之間的關(guān)系，來描述聲光效應(yīng)，可用聲光柵來說明光在介質(zhì)中的衍射。 2.反常聲光相互作用。介質(zhì)的折射率與入射光的方向、偏振狀態(tài)有關(guān)，需要考慮介質(zhì)在光學(xué)性質(zhì)上的各向異性。這時(shí)，入射光的折射率、偏振狀態(tài)與衍射光的折射率、偏振狀態(tài)不同。此時(shí)，就不能用聲光柵來說明光在介質(zhì)中的衍射現(xiàn)象了。 目前，多數(shù)的聲光器件都是利用正常聲光相互作用原理來制作的，所以可用聲光柵來分析。,式中，

26、 為入射角，實(shí)際是掠射角，它是入射光線與超聲波波面之間的夾角；和K分別為超聲波的波長和波數(shù)（K2/）；和k分別為入射光波的波長和波數(shù)（k2/）；N為衍射光的級(jí)數(shù)。,超聲場(chǎng)中，由于介質(zhì)密度周期性的疏密分布而形成聲光柵，柵距等于1個(gè)超聲波的波長。如果有一束光以 角入射于聲光柵，則出射光即是衍射光。理論分析指出，當(dāng) 滿足以下條件時(shí)，衍射光強(qiáng)最大。,若掠射角 0，即入射光平行于聲光柵的柵線入射時(shí)，聲光 柵所產(chǎn)生的衍射光圖案和普通光學(xué)光柵所產(chǎn)生的衍射光圖案類似，也是在零級(jí)條紋兩側(cè)，對(duì)稱地分布著各級(jí)衍射光的條紋，而且衍射光強(qiáng)逐級(jí)減弱。這種衍射稱為喇曼-奈斯衍射。 理論分析指出，衍射光強(qiáng)和超聲波的強(qiáng)度成正比

27、例。因此，即可利用這一原理來對(duì)入射光進(jìn)行調(diào)制。調(diào)制信號(hào)如果是非電信號(hào)的話，首先要把它變?yōu)殡娦盘?hào)，然后作用到超聲波發(fā)生器上，使聲光介質(zhì)產(chǎn)生的聲光柵與調(diào)制信號(hào)相對(duì)應(yīng)。這時(shí)入射激光的衍射光強(qiáng)，則正比于調(diào)制信號(hào)的強(qiáng)度。這就是聲光調(diào)制器的原理。 實(shí)現(xiàn)喇曼-奈斯衍射的條件是: 式中，L稱為聲光相互作用長度。,掠射角 0時(shí)，一般情況下，衍射光都很弱，只有滿足條件: 時(shí)，衍射光最強(qiáng)。上式稱為布拉格條件。此時(shí)的衍射光是不對(duì)稱的，只有正一級(jí)或負(fù)一級(jí)。衍射效率（衍射光強(qiáng)與入射光強(qiáng)之比）可接近100%。這種衍射稱為布拉格衍射。 掠射角 與衍射角 之和，也稱為偏轉(zhuǎn)角。即 式中，v和F分別為超聲波在介質(zhì)中的傳播速度和頻率

28、。 由此可知，偏轉(zhuǎn)角正比于超聲波的頻率。故改變超聲波的頻率（實(shí)際是改變換能器上電信號(hào)的頻率）即可改變光束的出射方向，這就是聲光偏轉(zhuǎn)器的原理。 使上式成立的條件是:,3、磁光調(diào)制器件與隔離器件 原來沒有旋光性的透明介質(zhì)，如水、鉛玻璃等，放在強(qiáng)磁場(chǎng)中，可產(chǎn)生旋光性，這種現(xiàn)象稱為法拉第效應(yīng)。具體的現(xiàn)象是，把磁光介質(zhì)放到磁場(chǎng)中，使光線平行于磁場(chǎng)方向通過介質(zhì)時(shí)，入射的平面偏振光的振動(dòng)方向就會(huì)發(fā)生旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)角的大小與磁光介質(zhì)的性質(zhì)、光程和磁場(chǎng)強(qiáng)度等因素有關(guān)。其規(guī)律為 VlHcos 式中，為振動(dòng)面旋轉(zhuǎn)的角度，l為光程，H為磁場(chǎng)強(qiáng)度，為光線與磁場(chǎng)的夾角，V為比例常數(shù)，稱費(fèi)爾德常數(shù)，它與磁光介質(zhì)和入射光的波長有關(guān)，是一個(gè)表征介質(zhì)磁光特性強(qiáng)弱的參量。,不同介質(zhì)，振動(dòng)面的旋轉(zhuǎn)方向不同。順著磁場(chǎng)方向看，使振動(dòng)面向右旋的，稱為右旋或正旋介質(zhì)，V為正值。反之，則稱為左旋或負(fù)旋介質(zhì)，V為負(fù)值。,對(duì)于給定的磁光介質(zhì)，振動(dòng)面的旋轉(zhuǎn)方向只決定于磁