第五章光調(diào)制技術(shù)單倍間距

1、第五章光調(diào)制技術(shù)光信息系統(tǒng)的信號加載與控制1.高級晶族、中級晶族、低級晶族的折射率橢球各有何特點？低級晶族的折射率橢球具有，因而在其波振面截面圖上可以發(fā)現(xiàn)有兩條光軸，這種晶體稱為雙軸晶體；中級晶族三個主折射率中有兩個主折射率相等，一般取相等的兩折射率為、，于是，這種晶體僅有一條光軸，稱為單軸晶體，單軸晶體的波氏面由一個球面和一個旋轉(zhuǎn)橢球面組成，旋轉(zhuǎn)橢球面的旋轉(zhuǎn)軸即為光軸；高級晶族，其兩個波振面重合，晶體不再呈現(xiàn)雙折射，在線性情況下，其特性與各向同性晶體一樣，但是在非線性下，會出現(xiàn)高階介電張量，其情況就與各向同性晶體不同。2.什么叫雙折射現(xiàn)象？如何確定單軸與雙軸晶體的光軸？ 所謂雙折射現(xiàn)象是指光

2、在各向異性介電晶體中傳播時，分為兩束偏折方向不同的光，向兩個方向折射。 確定晶體的光軸可由波氏面確定，波氏面由兩層曲面組成。兩層曲面通常有四個公共點，通過原點和這些公共點連線方向傳播的兩個波有相同的相速度，這些方向就是光軸的方向。3.說明波氏圖、折射率圖及折射率橢球之間的區(qū)別 ；簡述折射率橢球的性質(zhì)。波氏面圖是由波氏K與傳播方向的關(guān)系決定的一個K空間的三維曲面，在這個表面上的任意給定點離開原點的距離等于沿著該方向傳播的光波波氏大小。這一波氏面由兩層曲面組成。與波氏面圖對應(yīng)的就有折射率面，它表示折射率隨傳播方向的變化，在這一表面上，任意給定點離開原點的距離等于沿著這個方向傳播的光波的折射率。折射

3、率橢球是晶體光學(xué)各向異性的幾何表示，也叫光率體。它可以確定兩個允許傳輸波的偏振方向及其相速度。在直角主介電坐標系中，兩個波面沿三個主軸的分量可用通式表示。式中、為沿三個主坐標軸的主折射率，在xyz主介電坐標系中常用、來直觀地表示。有性質(zhì)：折射率橢球任一矢徑的方向，表示光波電位移矢量D的一個方向。矢徑長度表示D沿矢徑方向振動的光波的折射率。對于任意給定的波氏k，利用折射率橢球可求光波D的偏振方向及相應(yīng)折射率：通過原點作k的垂面，與折射率橢球相交得一橢圓截面，則這一橢圓截面的兩個軸即為兩個偏振允許方向，兩個軸的長度、為相應(yīng)的折射率，對應(yīng)的相速度為、。4.給定折射率橢球和光波波氏方向，如何確定主折射

4、率方向？通過原點作k的垂面，與折射率橢球相交得一橢圓截面，則這一橢圓截面的兩個軸即為兩個偏振允許方向，兩個軸的長度、為相應(yīng)的折射率，對應(yīng)的相速度為、。.5.晶體波正單軸晶體的折射率、的大小關(guān)系如何？寫出其折射率橢球表達式，并畫出正單軸氏面截面圖。 正單軸晶體，其折射率橢球方程為.6.簡述電光衍射與聲光衍射發(fā)生的物理機制。通常我們認為一個材料的介電常量與外場無關(guān)，為恒值，但理論和試驗均證明，介電常量是隨電場強度而變化的，只不過一般情況下外加電場較弱，我們可以作弱場近似，認為介電常量與電場強度無關(guān)；但當光介質(zhì)的兩端所加外加電場較強時，介質(zhì)內(nèi)的電子分布狀態(tài)將發(fā)生變化，以致介質(zhì)的極化強度以及折射率也各

5、向異性地發(fā)生變化。此外，這種效應(yīng)遲豫時間很短，僅有量級，外加電場地施加或撤銷導(dǎo)致地折射變化或恢復(fù)瞬間即可完成。 聲波的應(yīng)變場也能改變某些類型晶體地折射率，由于聲波的周期性，會引起折射率的周期性變化，產(chǎn)生類似于光柵的光學(xué)結(jié)構(gòu)，超聲波引起晶體的應(yīng)變場，使射入晶體中的光波被這種彈性波衍射。.7.簡述磁光偏轉(zhuǎn)與天然雙折射之間的區(qū)別。天然旋光效應(yīng)與磁光效應(yīng)的本質(zhì)區(qū)別在于：光束返回通過天然旋光介質(zhì)時，旋轉(zhuǎn)角度與正向入射時相反，因而往返通過介質(zhì)的總效果是偏轉(zhuǎn)角為零；而由于磁致旋光方向與磁場方向有關(guān)，而與光的傳播方向無關(guān)，因而光往返通過法拉第旋光物質(zhì)時，偏轉(zhuǎn)角度增加一倍。.8.什么叫聲光調(diào)制？分哪幾種類型？其

6、判據(jù)是什么？聲波的應(yīng)變場也能改變某些類型晶體地折射率，由于聲波的周期性，會引起折射率的周期性變化，產(chǎn)生類似于光柵的光學(xué)結(jié)構(gòu)，從而對入射的光波產(chǎn)生調(diào)制，這種調(diào)制稱為聲光調(diào)制。按照超聲波頻率的高低和光波相對聲場的入射角度及兩者相互作用的長度，將聲光衍射分為拉曼奈斯衍射和布拉格衍射兩類。拉曼奈斯衍射與布拉格衍射的判斷依據(jù)用聲光相互作用特征長度來表示 拉曼奈斯衍射 布拉格衍射 過渡區(qū) 9.用鏡面反射模型分析形成聲光布拉格衍射的條件。參考圖5-17。為簡單起見，暫且不考慮這些反射鏡的移動。在某一給定方向上發(fā)生衍射的必要條件是：在同一鏡面上的各點對該方向衍射有貢獻的反射波必須同相，以產(chǎn)生相長干涉?？紤]圖中

7、的C和B兩點，欲在角方向產(chǎn)生衍射，則要求光程差是光波波長的整數(shù)倍，即 ()顯然，只有當時，同一鏡面上的所有點才能同時滿足這一條件，由此得 即要求入射角等于衍射角。除此以外，還要求從光波穿過的任意兩等價聲波波陣面的反射光沿該方向同相疊加。在圖中，欲使從相隔的兩個聲波波陣面上的反射波形成同一光波波面，其光程差必須等于光波波長的整數(shù)倍，在條件下，即有 （） 當一定時，若角滿足1級（m=1）衍射光條件，就不可能出現(xiàn)其他高級衍射光。于是，在式中取m=1,便得到布拉格衍射條件式中即稱為布拉格角。.10.若給KDP晶體加以x向電場，試求其折射率橢球表達式。給KDP晶體加以x向電場，則,代入新折射率橢球方程得

8、 設(shè)新主軸相對于舊主軸旋轉(zhuǎn)了角度，則新舊坐標系之間有關(guān)系，將此式代入上式中，并整理得 要使上述方程主軸化，則需令交叉項系數(shù)為零，即 解之得 由于，因而 將之代入橢球方程，得新主軸坐標系中的折射率橢球方程變?yōu)?1.要想用KDP晶體做成z向加電場，45x向偏振光沿y向傳播的橫向電光強度調(diào)制器，推導(dǎo)折射率橢球表達式及輸出光強表達式，畫出調(diào)制器原理圖，說明調(diào)制原理，并畫出其調(diào)制特性曲線。外加電場平行于光軸也就是E的三個分量中只有不為零，即 于是新折射率橢球為 設(shè)新主軸相對舊主軸旋轉(zhuǎn)了角度，則新舊坐標系之間有關(guān)系 將此式代入上式并整理得要使成為新主軸，則需令交叉項為零，即，由此可得，也就是說施加z向電場

9、時，在新主軸坐標系中，折射率橢球方程變?yōu)?根據(jù)與n的關(guān)系，并考慮線性電光效應(yīng)引起的折射率引起的折射率變化相對于原折射率應(yīng)是一個無窮小量，可近似得：外加電場方向沿Z軸方向，晶體的主軸x,y軸也將旋轉(zhuǎn)至，方向，入射光沿軸方向入射并與z軸垂直，偏振方向如圖所示，沿x軸。設(shè)入射光經(jīng)起偏片后強度為， 于是 經(jīng)過長的晶體后，z兩偏振分量間有相位延遲，于是 再經(jīng)過波片，又引入的相位延遲 于是檢偏器出射光總場強為、沿 垂直于x方向分量的總和 出射光強 于是出射光強與入射光強之比為 又 將此式代入上式，得：在KDP晶體橫向調(diào)制器中，自然雙折射的影響會導(dǎo)致調(diào)制光發(fā)生畸變，甚至使調(diào)制器不能正常工作。在實際應(yīng)用中，主

10、要采用一種“組合調(diào)制器”的結(jié)構(gòu)予以補償。例如：兩塊晶體的z軸和軸互相反相平行排列，中間放置波片。當線偏振光沿軸方向入射第一塊晶體時，電矢量分解為沿z軸方向的光和沿方向的光兩個分量，當它們經(jīng)過第一塊晶體后，兩束光的相位差：經(jīng)過波片后，兩束光的偏振方向各旋轉(zhuǎn)，經(jīng)過第二塊晶體后，原來的光變成了光，光變成了光，則它們經(jīng)過第二塊晶體后，其相位差于是，通過兩塊晶體之后的總相位差為：因此，若兩塊晶體的尺寸、性能及受外界影響完全相同，則自然的雙折射影響即可得到補償。根據(jù)上式，當時，半波電壓為將此式代入上式，得：由于調(diào)制電壓幅值一般遠小于半波電壓，即，因而上式可近似為 設(shè)輸入電壓為正弦調(diào)制電壓，即 式中，為調(diào)制

11、電壓幅值，為調(diào)制頻率，于是有畫出與的關(guān)系曲線參看教材附圖。12.某晶體在550nm時的，無外場時的主折射率為1.58，求其半波電壓。13.一個拉曼奈斯聲光調(diào)制器，晶體折射率為n=1.46，聲波速度,頻率為，光波波長，證明最大聲光耦合長度為，并求該晶體的最大聲光耦合長度。 由拉曼奈斯衍射判斷依據(jù)得，故最大耦合長度 將數(shù)據(jù)代入得： 注：此題解答中與題目證明結(jié)果不一樣。.14.有一聲光偏轉(zhuǎn)器，以重火石玻璃為聲光介質(zhì)，聲波中心頻率為，帶寬是，入射光束直徑是，查得聲速，求偏轉(zhuǎn)器的偏轉(zhuǎn)時間和分辨點數(shù)N。注：此題沒有用上中心頻率為條件。第六章 光電探測技術(shù)1.列出光探測器的基本參數(shù)并說明其含義。量子效率，又

12、稱量子產(chǎn)率，是指一個入射光子所釋放的平均電子數(shù)。它與入射光子能量（即入射光波長）有關(guān)。其表達式為，式中是入射到探測器上的光功率，是入射光產(chǎn)生的平均光電流大小，是單位時間內(nèi)入射光子平均數(shù)，是單位時間產(chǎn)生的光電子平均數(shù)，是電子電荷。響應(yīng)度R，為探測器輸出信號電壓與輸入光功率P之比 單位為。靈敏度S，為探測器輸出信號電流與輸入光功率之比 R和S均用來描述探測器輸出電信號與輸入光功率的關(guān)系，均是波長的函數(shù)。入射光波長一定，則響應(yīng)度與靈敏度確定。光譜響應(yīng)，就是表征R（或S）隨波長變化的特性參數(shù)。光譜響應(yīng)中還有一個重要參量，稱為響應(yīng)峰值波長，它指相對光譜響應(yīng)曲線中對應(yīng)于最高響應(yīng)率的輻射波長。噪聲等效功率，

13、定義為相應(yīng)于單位的信噪比的入射光功率，用來表征探測器探測能力，定義式為 越小，探測能力越強。探測度D，是的倒數(shù)，即單位輻射功率相應(yīng)的信噪比 通常歸一化探測度比前述D更能體現(xiàn)探測器性能。表示單位探測器面積、單位帶寬的探測度，定義式為 式中，為探測器面積，為放大器帶寬。頻率響應(yīng)，是描述光探測器響應(yīng)度在入射光波長不變時，隨入射光調(diào)制頻率變化的特性參數(shù)。它是光探測器對加在光載波上的電調(diào)制信號的響應(yīng)能力的反映，是表征光探測器頻率特性的重要參數(shù)。除了以上7個基本參數(shù)以外，在使用探測器時還會遇到一下參數(shù)： 暗電流，指沒有信號和背景輻射時通過探測器的電流； 工作溫度，對于非冷卻型探測器指環(huán)境溫度，對于冷卻型探

14、測器指冷卻源標稱溫度； 響應(yīng)時間，指探測器將入射輻射轉(zhuǎn)變?yōu)樾盘栯妷夯螂娏鞯鸟Y豫時間； 光敏面積，指靈敏元的幾何面積。2. 光探測器的物理效應(yīng)主要有哪幾類？每類有哪些典型效應(yīng)？光電探測器的物理效應(yīng)可以分為三大類：光電效應(yīng)、光熱效應(yīng)和波相互作用效應(yīng)。光電效應(yīng)是入射光的光子與物質(zhì)中的電子相互作用并產(chǎn)生載流子的效應(yīng)，此處所指的是一種光子效應(yīng)，也就是單個光子的性質(zhì)對產(chǎn)生的電子直接作用的一類光電效應(yīng)。根據(jù)效應(yīng)發(fā)生的部位和性質(zhì)，習(xí)慣上將其分為外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)。外光電效應(yīng)是指發(fā)生在物質(zhì)表面上的光電轉(zhuǎn)換現(xiàn)象；內(nèi)光電效應(yīng)指發(fā)生在物質(zhì)內(nèi)部的光電轉(zhuǎn)換現(xiàn)象。光熱效應(yīng)是物體吸收光，引起溫度升高的一種效應(yīng)。光熱效應(yīng)中

15、典型的有溫差電效應(yīng)和熱釋電效應(yīng)。溫差電效應(yīng)指當兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料兩端并聯(lián)熔接時，在接點處可產(chǎn)生電動勢，這種電動勢的大小和方向與該接點處兩種不同材料的性質(zhì)和接點處溫差有關(guān)，如果把這兩種不同材料連接成回路，當兩接頭溫度不同時，回路中即產(chǎn)生電流的現(xiàn)象，又稱塞貝克效應(yīng)。熱釋電效應(yīng)指熱點晶體的自發(fā)極化矢量隨溫度變化，從而使入射光可引起電容器改變的現(xiàn)象。波相互作用效應(yīng)是指激光與某些敏感材料相互作用過程中產(chǎn)生的一些參量效應(yīng)，包括非線性光學(xué)效應(yīng)和超導(dǎo)量子效應(yīng)等。3. 比較光子探測器和光熱探測器在作用機理、性能及應(yīng)用特點等方面的差異。在受到光的照射后，材料的電學(xué)性質(zhì)發(fā)生了變化，（電導(dǎo)率改變、發(fā)射電子、產(chǎn)

16、生感應(yīng)電動勢等）的現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)。某些物質(zhì)在收到光照射后，由于溫度變化而造材料性質(zhì)發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為光熱效應(yīng)。在光電效應(yīng)中，光子的能量直接變?yōu)楣怆娮拥哪芰?。而在光熱效?yīng)中，光能量與晶格相互作用，使其振動加劇，造成溫度的升高。光熱效應(yīng)主要是通過對輻射能量的吸收來改變材料的某些物理性質(zhì)，這種改變總是與溫度的變化相聯(lián)系的，而材料溫度的變化僅取決于光功率（或其變化速率）而與入射光的光譜成分的關(guān)系不大。所以熱探測基本屬于無選擇性的探測。另一方面熱效應(yīng)具有積累的特性，與探測器件的熱容量及散熱的快慢都有關(guān)。這也決定了熱探測的另一特點，響應(yīng)時間比較長，達到毫秒數(shù)量級。兩者相比起來，光電探測方法對光波長的測量

17、是有選擇的，這由光電效應(yīng)的本質(zhì)所決定。因此，光電探測的一大特點是選擇性好，用一種材料制作的探測器，一般都由吸收峰值波長存在。另一方面，光電材料對入射光子的響應(yīng)幾乎是瞬間完成（微秒以至納秒量級），因此，光電探測器的另一特點就是響應(yīng)速度快。一般說來，光電探測方式由于其相對于熱探測器的優(yōu)越性（選擇性高、響應(yīng)快）而用途更廣，但熱探測器在某些領(lǐng)域的作用是光電探測器無法取代的。對熱探測器，提高靈敏度及響應(yīng)速度是努力的方向。4.說明內(nèi)光電效應(yīng)和外光電效應(yīng)的差別。根據(jù)效應(yīng)發(fā)生的部位和性質(zhì)，習(xí)慣上將其分為外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)。外光電效應(yīng)是指發(fā)生在物質(zhì)表面上的光電轉(zhuǎn)換現(xiàn)象,主要包括光陰極直接向外部放出電子的現(xiàn)象，典型的例子是物質(zhì)表面的光電發(fā)射；內(nèi)光電效應(yīng)指發(fā)生在物質(zhì)內(nèi)部的光電轉(zhuǎn)換現(xiàn)