光電測試技術(shù)4-6光調(diào)制ppt課件

1、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(chǔ)：物質(zhì)對(duì)外來作用產(chǎn)生的各種物理效應(yīng)電光效應(yīng)聲光效應(yīng)磁光效應(yīng)電光效應(yīng)電光效應(yīng)(Induced optical effects) 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1. 機(jī)械感應(yīng)機(jī)械感應(yīng)-光彈效應(yīng)光彈效應(yīng)(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，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：玻璃或塑料例如：玻璃或塑料 拉伸或壓縮拉伸或壓縮各向異性各向異性 應(yīng)力分析應(yīng)力分析 - 光彈力學(xué)光彈力學(xué) 工程應(yīng)用工程應(yīng)用干涉色的分布干涉色的分布受力分布受力

2、分布 通常情況下，拉伸通常情況下，拉伸 成為正單軸材料；成為正單軸材料； 緊縮緊縮 成為負(fù)單軸材料；成為負(fù)單軸材料； 2. 電感應(yīng)電感應(yīng)-電光效應(yīng)電光效應(yīng)(Electro-optical effect) 在一些各向同性材料上加上電場在一些各向同性材料上加上電場 各向異性各向異性電致雙折射電致雙折射, 雙折射大小與電場強(qiáng)度有關(guān)雙折射大小與電場強(qiáng)度有關(guān)a. Kerr 效應(yīng)效應(yīng)1875年）年） 各向同性透明介質(zhì)在電場下成為單軸雙折射各向同性透明介質(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(dòng)的折材料，光軸平行于電場，平行于電場的光振動(dòng)的折射率為射率為 n | ，垂直于電場的光振動(dòng)的

3、折射率為，垂直于電場的光振動(dòng)的折射率為 n折射率變化量與外電場強(qiáng)度平方成比例液晶空間光調(diào)制器液晶空間光調(diào)制器 (了解了解) 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(gè)過渡相態(tài)，這時(shí)，它一方面具有液體的流動(dòng)性質(zhì)，同時(shí)又有晶體的特性(如光學(xué)、力學(xué)、熱學(xué)的各向異性)，這種過渡相態(tài)稱之為“液晶”。 液晶是一種有機(jī)化合物，一般由棒狀柱形對(duì)稱的分子構(gòu)成，具有很強(qiáng)的電偶極矩和容易極化的化學(xué)團(tuán)。對(duì)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(dòng)位置就會(huì)發(fā)生變化，即改變液晶的物理狀態(tài)。如對(duì)液晶施加電場，它的光學(xué)性質(zhì)就發(fā)生變化，這就是液晶的電光效應(yīng)。a. Kerr 效應(yīng)效應(yīng)1875年）年）

4、- 各向同性透明介質(zhì)在電場下成為單軸雙折射材料，光軸各向同性透明介質(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(dòng)的折射率為平行于電場，平行于電場的光振動(dòng)的折射率為 n |，垂直于，垂直于電場的光振動(dòng)的折射率為電場的光振動(dòng)的折射率為 n Kerr盒盒 利用利用kerr效應(yīng)制成的調(diào)制器效應(yīng)制成的調(diào)制器（內(nèi)裝電致雙折射材料（內(nèi)裝電致雙折射材料 有電光效應(yīng)的液體有機(jī)化合物）有電光效應(yīng)的液體有機(jī)化合物）液體中的液體中的Kerr效應(yīng)裝置效應(yīng)裝置b. Pockels 效應(yīng)效應(yīng)1893年）年） 一些晶體電光晶體），加上外電場后，單軸晶體成為雙軸晶一些晶體電光晶體），加上外電場后，單軸晶體成為

5、雙軸晶體，雙折射大小與電場強(qiáng)度得一次方成正比體，雙折射大小與電場強(qiáng)度得一次方成正比 Pockels 效應(yīng)線性電光效應(yīng)）效應(yīng)線性電光效應(yīng)） Pockels實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)2kEn - 一次電光效應(yīng)一次電光效應(yīng) 所需電壓比所需電壓比Kerr效應(yīng)要低，同樣可做成高速開關(guān)效應(yīng)要低，同樣可做成高速開關(guān) 聲波是一種彈性波(縱向應(yīng)力波)，在介質(zhì)中傳播時(shí)，它使介質(zhì)產(chǎn)生相應(yīng)的彈性形變，從而激起介質(zhì)中各質(zhì)點(diǎn)沿聲波的傳播方向振動(dòng)，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(yīng)的周期性變化。超聲場作用的這部分如同一個(gè)光學(xué)的“相位光柵”，該光柵間距(光柵常數(shù))等于聲波波長s。當(dāng)光波通過此介質(zhì)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生光

6、的衍射。其衍射光的強(qiáng)度、頻率、方向等都隨著超聲場的變化而變化。 13 聲光調(diào)制聲光調(diào)制吸聲裝置Laser inLaser out 聲波在介質(zhì)中傳播分為行波和駐波兩種形式。圖1.31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(yīng)的折射率也增大，而白色部分表示介質(zhì)密度減小，對(duì)應(yīng)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103ms量級(jí))向前推進(jìn)。由于聲速僅為光速(108m)的數(shù)十萬分之，所以對(duì)光波來說，運(yùn)動(dòng)的“聲光柵可以看作是靜止的。設(shè)聲波的角頻率為s，波矢為ks （2/ s)，那么或者寫成：或者寫成：這里 n = -

7、ksA，則行波時(shí)的折射率：此處此處 n = -(1/2)no3 PS， （1.3-3)式中，式中，S為超聲波引起介質(zhì)產(chǎn)生的應(yīng)變，為超聲波引起介質(zhì)產(chǎn)生的應(yīng)變，P為材料的彈光為材料的彈光系數(shù)系數(shù)(激光器件與技術(shù)教程的附錄激光器件與技術(shù)教程的附錄 )。式中式中a為介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的瞬時(shí)位移，為介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的瞬時(shí)位移，A為質(zhì)點(diǎn)位移的幅度?？蔀橘|(zhì)點(diǎn)位移的幅度。可近似地認(rèn)為，介質(zhì)折射率的變化正比于介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)沿近似地認(rèn)為，介質(zhì)折射率的變化正比于介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)沿x方方向位移的變化率，即向位移的變化率，即(1.3-1)聲波的方程為 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

8、為 上式說明，聲駐波的振幅為2Acos(2x/s )，它在x方向上各點(diǎn)不同，但相位2t / Ts在各點(diǎn)均相同。同時(shí)，由上式還可看出，在x ns /2 或2ns /4 (n = 0,1,2,)各點(diǎn)上，駐波的振幅為極大(等于2A)，這些點(diǎn)稱為波腹，波腹間的距離為s 2。在x(2n+1) s4的各點(diǎn)上，駐波的振幅為零，這些點(diǎn)稱為波節(jié)，波節(jié)之間的距離也是s2。(1.3-4)圖 1.3-2 超聲駐波x ns /2x(2n+1) s4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的光柵在空間也是

9、固定的。聲駐波形成的折射率變化(正比于介正比于介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)沿質(zhì)質(zhì)點(diǎn)沿x方向位移的變化率方向位移的變化率, 對(duì)上式求導(dǎo)并令對(duì)上式求導(dǎo)并令n = - 4A /s )(1.3-5)聲駐波在一個(gè)周期內(nèi)，介質(zhì)兩次出現(xiàn)疏密層，且在波節(jié)處密度保聲駐波在一個(gè)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(gè)周期持不變，因而折射率每隔半個(gè)周期(Ts2)就在波腹處變化一次，就在波腹處變化一次，由極大由極大(或極小或極小)變?yōu)闃O小變?yōu)闃O小(或極大或極大)。在兩次變化的某一瞬間，介。在兩次變化的某一瞬間，介質(zhì)各部分的折射率相同，相當(dāng)于一個(gè)沒有聲場作用的均勻介質(zhì)。質(zhì)各部分的折射率相同，相當(dāng)于一個(gè)沒有聲場

10、作用的均勻介質(zhì)。若超聲頻率為若超聲頻率為fs，那么光柵出現(xiàn)和消失的次數(shù)則為，那么光柵出現(xiàn)和消失的次數(shù)則為2 fs ，因而光，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。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。 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(RamanNath)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二、聲光相互作用的兩種類型 當(dāng)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(shí)，產(chǎn)生拉曼納斯衍射。 當(dāng)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

11、向)，聲光互作用長度L較短時(shí)，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(gè)靜止的平面相位光柵。而且聲波長s比光波長大得多，當(dāng)光波平行通過介質(zhì)時(shí)，幾乎不通過聲波面，因此只受到相位調(diào)制，即通過光學(xué)稠密(折射率大)部分的1拉曼拉曼-納斯衍射納斯衍射光波波陣面將推遲，而通過光學(xué)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(gè)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(jí)衍射光，這就是拉曼納斯衍射。 當(dāng)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(shí)，光波在介

12、質(zhì)中要穿過多個(gè)聲波面，故介質(zhì)具有“體光柵的性質(zhì)。當(dāng)入射光與聲波面間夾角滿足一定條件時(shí)，介質(zhì)內(nèi)各級(jí)衍射光會(huì)相互干涉，各高級(jí)次衍射光將互相抵消，只出現(xiàn)0級(jí)和+l級(jí)(或-1級(jí))(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(qiáng)，可使入射光能量幾乎全部轉(zhuǎn)移到+1級(jí)(或-1級(jí))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(yīng)制成的聲光器件可以獲得較高的效率。2.布拉格布拉格Bragg)衍射衍射 (1)各向同性介質(zhì)中的正常布拉格衍射。 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(dòng)電源等所組成，如圖

13、1.311所示。 (1)聲光介質(zhì)，聲光介質(zhì)是聲光互作用的場所。當(dāng)一束光通過變化的超聲場時(shí)，由于光和超聲場的互作用，其出射光就具有隨時(shí)間而變化的各級(jí)衍射光，利用衍射光的強(qiáng)度隨超聲波強(qiáng)度的變化而變化的性質(zhì)，就可以制成光強(qiáng)度調(diào)制器。圖 1.3-11 聲光調(diào)制器結(jié)構(gòu)吸聲裝置Laser inLaser out三、聲光體調(diào)制器三、聲光體調(diào)制器1聲光體調(diào)制器的組成聲光體調(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)安裝(放置在超聲源的對(duì)面)。(4)驅(qū)動(dòng)電源 它用以產(chǎn)生調(diào)制電信號(hào)施加于電聲換能器的兩端電極上，驅(qū)動(dòng)聲光調(diào)制器(換能器)任務(wù)。三、磁致雙折射三、磁致雙折射科頓科頓穆頓效應(yīng)：穆頓效

14、應(yīng)：某些透明液體在磁場某些透明液體在磁場H H作用下變?yōu)楦飨虍愋宰饔孟伦優(yōu)楦飨虍愋?Hnnoe 二次效應(yīng)二次效應(yīng)磁場很強(qiáng)磁場很強(qiáng) 才能觀察到才能觀察到性質(zhì)類似于單軸晶體性質(zhì)類似于單軸晶體 光軸平行磁場光軸平行磁場HCd振動(dòng)面旋轉(zhuǎn)的角度 由經(jīng)驗(yàn)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(fèi)爾德常數(shù)，一種特定媒質(zhì)的費(fèi)爾德常數(shù)隨頻率和溫度而變。rBdBdrr2100131. 0r510OH2410CT20112顯然，法拉弟效應(yīng)可用來設(shè)計(jì)光調(diào)制器，欲提高效率必須每單位長度的材料對(duì)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 eCraw

15、利用人工生長的釔鐵石榴石YIG磁性晶體，它的費(fèi)爾德數(shù)可以達(dá)到 (對(duì) 波長， 溫度范圍)。 .CR0 . 9m3 . 1C8525調(diào)制電壓恒定磁場起偏器起偏器 線偏振光從左面進(jìn)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(qiáng)度矢量由恒定磁場和線圈磁場所引起可以改變方向，它對(duì)晶體軸的傾斜角度正比于線圈中的調(diào)制電流。因?yàn)榉ɡ苄D(zhuǎn)依賴于磁化強(qiáng)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。這樣，為了獲得更大的法拉弟效應(yīng)，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(duì)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。NNdN高反射膜 磁致旋光效應(yīng)的旋轉(zhuǎn)方向僅與磁場方向有關(guān)，而與光線傳播方向的正逆無關(guān)，這是磁致旋光現(xiàn)象與晶體的自然旋光現(xiàn)象不同之處(即當(dāng)光束往返通過自然旋光物質(zhì)