光輻射的調(diào)制

1、光輻射的調(diào)制第1頁(yè)，共81頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)6分，星期一在光通信系統(tǒng)中， 需要把聲音、圖像、數(shù)據(jù)信息加載到光波上進(jìn)行傳輸。在光電檢測(cè)系統(tǒng)中， 使探測(cè)光為調(diào)制光，可以比非調(diào)制光 具有更強(qiáng)的抗干擾能力。 調(diào)制的目的：光信息系統(tǒng)的信號(hào)加載與控制 調(diào)制的內(nèi)容：是指改變光波振幅、強(qiáng)度、相位或頻率、偏振等參數(shù)，使之?dāng)y帶信息的過(guò)程。第2頁(yè)，共81頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)6分，星期一光調(diào)制的優(yōu)點(diǎn):1.容量大2.易加載3.距離遠(yuǎn)4.易保密5.抗電磁干擾能力強(qiáng)第3頁(yè)，共81頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)6分，星期一 光調(diào)制的方法：傳統(tǒng)方法：調(diào)制盤(pán)（對(duì)光輻射強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)制）；現(xiàn)代方法：利

2、用外場(chǎng)的微擾引起介質(zhì)的非線性極化，從而改變介質(zhì)的光學(xué)性質(zhì)。在外場(chǎng)下利用光和介質(zhì)的相互作用而實(shí)現(xiàn)對(duì)光輻射振幅頻率、相位等參數(shù)的調(diào)制。第4頁(yè)，共81頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)6分，星期一 光輻射的現(xiàn)代調(diào)制方法：按調(diào)制是在光源內(nèi)發(fā)生還是光源外進(jìn)行分： 內(nèi)調(diào)制和外調(diào)制內(nèi)調(diào)制：將欲傳輸?shù)男盘?hào)直接加載于光源，以改變光源的輸出特性來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)制；只適用于一些特定的光源，如LD和LED的直接調(diào)制 例：對(duì)半導(dǎo)體激光器的驅(qū)動(dòng)電源用調(diào)制信號(hào)直接控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)所發(fā)射激光強(qiáng)度的調(diào)制； 又如：把調(diào)制元件放在諧振腔內(nèi)，用欲傳輸?shù)男盘?hào)控制調(diào)制元件物理性質(zhì)的變化而改變光腔參數(shù)，從而調(diào)制激光輸出。第5頁(yè)，共81頁(yè)，2022年，

3、5月20日，18點(diǎn)6分，星期一外調(diào)制：將光源與調(diào)制器分開(kāi)設(shè)立，在光源外的光路上放置調(diào)制器，將欲傳輸?shù)男盘?hào)加載于調(diào)制器，透過(guò)光的物理性質(zhì)將發(fā)生變化，實(shí)現(xiàn)調(diào)制。電光調(diào)制聲光調(diào)制磁光調(diào)制熱光效應(yīng)外調(diào)制技術(shù)適用于所有光源。第6頁(yè)，共81頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)6分，星期一 常用方法: 機(jī)電振子、旋轉(zhuǎn)調(diào)光盤(pán)等2.1 機(jī)械調(diào)制簡(jiǎn)單易行 調(diào)制原理：用遮光或改變透過(guò)率方式作光通量的幅度調(diào)制。應(yīng)用：常用于光電探測(cè)中需要抗干擾的場(chǎng)合NMNMN 缺點(diǎn)：難進(jìn)行高頻調(diào)制、體積較大等第7頁(yè)，共81頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)6分，星期一2.1 機(jī)械調(diào)制利用斬波器通斷光通量，使探測(cè)光成為調(diào)制光。調(diào)制光并配上

4、合適的有源帶通濾波器，以克服雜散光的干擾 。斬波器有源帶通濾波器第8頁(yè)，共81頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)6分，星期一探測(cè)器輸出的光電流設(shè)計(jì)有源帶通濾波器，f0為方波頻率。通頻帶f窄，雜散光被濾去。 第9頁(yè)，共81頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)6分，星期一優(yōu)點(diǎn)：容易實(shí)現(xiàn)；能對(duì)輻射的任何光譜成分進(jìn)行調(diào)制。缺點(diǎn)：有運(yùn)動(dòng)部分，壽命較短，體積較大，調(diào)制頻率不高。一些機(jī)械調(diào)制裝置第10頁(yè)，共81頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)6分，星期一2.2 電光調(diào)制在強(qiáng)電場(chǎng)作用下介質(zhì)折射率改變而產(chǎn)生的光調(diào)制。適用于單色光源。一、物理基礎(chǔ)：電光效應(yīng) 線性電光效應(yīng)（Pockels，1893年）二次電光效應(yīng)（

5、Kerr，1875年）介質(zhì)原本是單軸晶體。介質(zhì)原本是各向同性晶體。 電光調(diào)制基于線性電光效應(yīng)。第11頁(yè)，共81頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)6分，星期一晶體的結(jié)構(gòu)特征空間點(diǎn)陣：晶體是由原子、分子或離子在空間按照一定的規(guī)則周期性排列形成的一種晶態(tài)固體。結(jié)點(diǎn)：晶體中的微粒叫基元，又叫結(jié)點(diǎn)。點(diǎn)陣：全部結(jié)點(diǎn)的總稱叫點(diǎn)陣。晶格：格子狀結(jié)構(gòu)的點(diǎn)陣就叫晶格。格點(diǎn)：=結(jié)點(diǎn)晶胞：周期重復(fù)的最小基本（結(jié)構(gòu)）單位晶胞常量第12頁(yè)，共81頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)6分，星期一布喇菲點(diǎn)陣：根據(jù)空間對(duì)稱性，可以有14種點(diǎn)陣，稱布喇菲點(diǎn)陣，或稱14種晶胞14種晶胞共分7個(gè)晶系：三斜、單斜、正交（斜方）、正方（四

6、角）、立方、三角、六角布喇菲點(diǎn)陣第13頁(yè)，共81頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)6分，星期一三角六角三斜立方正交（斜方）正方單斜第14頁(yè)，共81頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)6分，星期一晶體的基本性質(zhì)1.自限性：晶體具有自發(fā)地形成封閉的凸幾何多面體的能力。2.晶面角守恒：指同一品種的晶體，兩個(gè)對(duì)應(yīng)的晶棱間的夾角恒定不變。3.均勻性：晶體在不同的位置上具有相同的物理性質(zhì)。4.最小內(nèi)能性：長(zhǎng)程有序性5.各向異性：晶體的宏觀性質(zhì)隨觀察方向的不同而不同。典型體現(xiàn)：晶體的解理、雙折射。6.對(duì)稱性第15頁(yè)，共81頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)6分，星期一光在晶體中的傳播特性光在晶體中的傳播實(shí)際是

7、光與晶體相互作用的結(jié)果：介質(zhì)受到光波電場(chǎng)E作用后產(chǎn)生極化, 極化強(qiáng)度用極化強(qiáng)度矢量P來(lái)表示, P與E之間的關(guān)系用宏觀物理量極化率來(lái)描述光輻射場(chǎng)對(duì)晶體的極化影響綜合效果集中表現(xiàn)為介電常量的變化，從而引起折射率變化：第16頁(yè)，共81頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)6分，星期一 通常材料的介電常量 與外電場(chǎng)無(wú)關(guān)，但當(dāng)外加電場(chǎng)較強(qiáng)時(shí)，介電常量便有微小的變化，從而引起折射率變化：、為常量線性電光效應(yīng)，或Pockels效應(yīng)（KDP、LiNbO3）二次電光效應(yīng)，或Kerr效應(yīng)（BaTiO3、硝基苯液體）、k由介質(zhì)本身的性質(zhì)決定，取決于晶體本身的結(jié)構(gòu)和對(duì)稱性。現(xiàn)在討論線性電光效應(yīng) 第17頁(yè)，共81頁(yè)，202

8、2年，5月20日，18點(diǎn)6分，星期一 在晶體的介電坐標(biāo)系中，無(wú)外加電場(chǎng)時(shí)，描述晶體光學(xué)性質(zhì)的折射率橢球方程為 其中下標(biāo)1，2，3分別表示坐標(biāo) x、y、z。 當(dāng)晶體施加任意電場(chǎng)時(shí)，晶體的折射率發(fā)生變化，可以把電場(chǎng)對(duì)晶體的這種作用歸結(jié)為折射率橢球系數(shù)的改變。因此，當(dāng)有電場(chǎng)存在時(shí)，折射率橢球在介電主軸座標(biāo)系中的方程為其中是對(duì)稱二階張量 x1x20n2n1n3對(duì)于任一特定的晶體，折射率橢球由其光學(xué)性質(zhì)（主介電常數(shù)或主折射率）唯一地確定。第18頁(yè)，共81頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)6分，星期一采用下標(biāo)簡(jiǎn)化形式以表示，則的下標(biāo)為 11，22，33，23(32)，31(13)，12(21) 1, 2,

9、 3, 4, 5, 6有6個(gè)獨(dú)立的分量。無(wú)電場(chǎng)時(shí)，于是第19頁(yè)，共81頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)6分，星期一施加電場(chǎng)時(shí)，折射率橢球系數(shù)的改變量與外加電場(chǎng)成正比，即 其中稱為電光系數(shù)張量，共有18個(gè)元素，可表示為6 3 的矩陣。 第20頁(yè)，共81頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)6分，星期一 由于電光晶體的對(duì)稱性使電光系數(shù)減少，具有對(duì)稱中心的晶體，其電光系數(shù)都為零，故這種晶體不產(chǎn)生線性電光效應(yīng)；在沒(méi)有對(duì)稱中心的21個(gè)點(diǎn)群中，有20個(gè)點(diǎn)群具有線性電光系數(shù)。 常用的電光晶體的電光系數(shù)值，可查閱有關(guān)書(shū)籍和技術(shù)手冊(cè)，當(dāng)掌握了電光系數(shù)后，可由上式解出 對(duì)電場(chǎng)的依賴關(guān)系，最后代入折射率橢球方程式。

10、第21頁(yè)，共81頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)6分，星期一晶體的雙折射定義: 是指光在各向異性介電晶體中傳播時(shí), 分為兩束偏振方向不同的光, 向兩個(gè)方向折射通常情況下,o光與 e光的傳播方向不同各向同性介質(zhì)雙折射現(xiàn)象外加強(qiáng)電場(chǎng)單色自然光晶體的截面O光e光第22頁(yè)，共81頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)6分，星期一電光效應(yīng)定義: 當(dāng)足夠強(qiáng)的外電場(chǎng)影響到晶體中的原子、分子的排列以及它們之間的相互作用, 這種內(nèi)部的,微觀的變化就導(dǎo)致晶體在宏觀上表現(xiàn)出極化強(qiáng)度及折射率也各向異性地發(fā)生變化，由于極化而出現(xiàn)光學(xué)特性（各向異性）的改變，影響到光波在介質(zhì)中的傳播特性。電光效應(yīng)實(shí)質(zhì)：在光波電場(chǎng)與外電場(chǎng)的共

11、同作用下，使介質(zhì)出現(xiàn)非線性的極化過(guò)程。第23頁(yè)，共81頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)6分，星期一KDP晶體的線性電光效應(yīng)常用的電光晶體是一些各向異性的光學(xué)晶體，如磷酸二氫鉀 ， 磷酸二氘鉀 ， 磷酸二氫氨 ，鈮酸鋰 (記為 )等。以下結(jié)合 加以說(shuō)明。 晶體是人工生長(zhǎng)的KH2PO4單晶的簡(jiǎn)稱，為單軸晶體，屬立方晶系的點(diǎn)群。有 ， 。光軸: 晶體中有一個(gè)方向，光沿這個(gè)方向傳播不發(fā)生雙折射，這個(gè)方向叫做光軸。Zxy第24頁(yè)，共81頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)6分，星期一1. 的縱向電光效應(yīng)KDP負(fù)單軸晶體 強(qiáng)電場(chǎng)E/Z軸,KDP由單軸晶體變?yōu)殡p軸晶體；線偏振光沿Z軸入射，分解成X、Y方向上

12、振幅相同、但傳播速度不同的兩個(gè)線偏振光。光傳播方向與電場(chǎng)方向一致起偏器第25頁(yè)，共81頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)6分，星期一 KDP晶體沿z軸加電場(chǎng)時(shí)，由單軸晶體變成了雙軸晶體，折射率橢球的主軸繞z軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)了450角，此轉(zhuǎn)角與外加電場(chǎng)的大小無(wú)關(guān)。第26頁(yè)，共81頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)6分，星期一在新的感應(yīng)折射率主軸座標(biāo)系下，折射率橢球方程變?yōu)檠毓廨S加電場(chǎng)后，xoy截面由圓變?yōu)闄E圓三個(gè)感應(yīng)主軸的折射率分別為xyxy沿x方向偏振的傳播速度加大， x叫快軸；沿y方向偏振的傳播速度減小， y 叫慢軸。式中，no為KDP晶體o光折射率， 為電光系數(shù)。相速度第27頁(yè)，共81頁(yè)，20

13、22年，5月20日，18點(diǎn)6分，星期一X、Y方向兩偏振光射出晶體時(shí)有光程差:則相位差為：半波電壓 : 造成光程差電光相位延遲：在X、Y兩個(gè)方向的傳播速度如果不同, 則在傳播過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生相位延遲的現(xiàn)象，即產(chǎn)生相位差。第28頁(yè)，共81頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)6分，星期一2. 的橫向電光效應(yīng)光傳播方向與電場(chǎng)方向垂直對(duì)KDP晶體采用45-Z切。強(qiáng)電場(chǎng)E/Z軸,KDP變?yōu)殡p軸晶體。入射光沿X軸方向進(jìn)入晶體，其偏振方向與Z、Y成45，在晶體中分解為Z、Y方向兩個(gè)振幅相同的線偏振光。第29頁(yè)，共81頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)6分，星期一與Z軸對(duì)應(yīng)的主折射率：與Y軸對(duì)應(yīng)的主折射率： 式中ne

14、是晶體e光折射率，E=U/d，U為外加電壓。兩個(gè)線偏振光射出晶體時(shí)有光程差：則相位差為：橫向電光效應(yīng)包含了自然雙折射造成的相位差，易受溫度影響。采用組合調(diào)制器進(jìn)行補(bǔ)償。自然雙折射造成的相位差電光效應(yīng)引起的相位差第30頁(yè)，共81頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)6分，星期一消除自然雙折射橫向電光效應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)：適當(dāng)?shù)卦黾?L/d ，就可以增強(qiáng)電光效應(yīng)的作用而降低晶體上所需的電壓；電極設(shè)在橫向，不影響光的傳播；在外加電壓 U一定時(shí)，加長(zhǎng)晶體通光長(zhǎng)度并不影響晶體內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)度，因而可以加長(zhǎng)晶體長(zhǎng)度獲得較大的相位延遲。半波電壓 為:通常，縱向 是數(shù)千伏，橫向 只是數(shù)百伏。第31頁(yè)，共81頁(yè)，2022年，5月

15、20日，18點(diǎn)6分，星期一3.電光晶體材料 用于線性電光效應(yīng)的電光晶體，除要求電光效應(yīng)強(qiáng)以外，還需綜合考慮：對(duì)使用的波段要有較高的透過(guò)率；光學(xué)均勻性好、耐壓高；對(duì)光波和調(diào)制波的損耗??；折射率隨溫度的變化較?。换瘜W(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，易于獲得大尺寸晶體等。 、在可見(jiàn)和近紅外區(qū)主要有KDP類晶體、LiTaO3、LiNbO3、KTN等。在中紅外區(qū)有GaAs、Cucl、CdTe等。 KDP類晶體、LiNbO3（LN）晶體應(yīng)用廣泛。見(jiàn)表2.1第32頁(yè)，共81頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)6分，星期一二、電光強(qiáng)度（或振幅）調(diào)制在Pockels效應(yīng)中，通過(guò)晶體的兩正交線偏振光形成了固定的相位差。在晶體的光輸出端后

16、置檢偏器P2，使N2N1。透過(guò)檢偏器P2的光強(qiáng)I2便受到電信號(hào)的調(diào)制。橫向電光調(diào)制裝置第33頁(yè)，共81頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)6分，星期一縱向電光強(qiáng)度調(diào)制裝置第34頁(yè)，共81頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)6分，星期一入射光P1IixyzxyP2Io調(diào)制光VL起偏器/4波片檢偏器 縱向電光強(qiáng)度調(diào)制下面詳細(xì)分析縱向電光調(diào)制： 電光晶體(KDP)置于兩個(gè)成正交的偏振器之間，其中起偏器P1的偏振方向平行于電光晶體的x軸，檢偏器P2的偏振方向平行于y軸，當(dāng)沿晶體z軸方向加電場(chǎng)后，它們將旋轉(zhuǎn)45o變?yōu)楦袘?yīng)主軸x,y。因此，沿z軸入射的光束經(jīng)起偏器變?yōu)槠叫杏趚軸的線偏振光，進(jìn)入晶體后(z=0)

17、被分解為沿x和y方向的兩個(gè)分量，兩個(gè)振幅(等于入射光振幅的1/ ）和相位都相等分別為：第35頁(yè)，共81頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)6分，星期一或采用復(fù)數(shù)表示， 即由于光強(qiáng)正比于電場(chǎng)的平方，因此，入射光強(qiáng)度為當(dāng)光通過(guò)長(zhǎng)度為L(zhǎng)的晶體后，由于電光效應(yīng)，E x和E y二分量間就產(chǎn)生了一個(gè)相位差 ，則 (1)第36頁(yè)，共81頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)6分，星期一yYxX45o45o(2)與之相應(yīng)的輸出光強(qiáng)為： 注意公式：(3)將出射光強(qiáng)與入射光強(qiáng)相比(1)公式/ (2)公式得透過(guò)率為： 第37頁(yè)，共81頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)6分，星期一其中為檢偏器的最大輸出光強(qiáng)。顯然，檢偏器的

18、輸出光強(qiáng)是電壓V的函數(shù)。當(dāng)時(shí)，出現(xiàn)消光現(xiàn)象。 時(shí)，光強(qiáng)有最大值 可見(jiàn)出射光強(qiáng)隨外加電壓而變，如果把信號(hào)加在晶體上，輸出光強(qiáng)就隨信號(hào)而變，就為信號(hào)所調(diào)制。第38頁(yè)，共81頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)6分，星期一根據(jù)上述關(guān)系可以畫(huà)出光強(qiáng)調(diào)制特性曲線。在一般情況下，調(diào)制器的輸出特性與外加電壓的關(guān)系是非線性的。50100透過(guò)率(%)0透射光強(qiáng)時(shí)間電壓調(diào)制電壓VV/2電調(diào)制特性曲線若調(diào)制器工作在非線性部分,則調(diào)制光將發(fā)生畸變。為了獲得線性調(diào)制，可以通過(guò)引入一個(gè)固定的 /2相位延遲，使調(diào)制器的電壓偏置在T50的工作點(diǎn)上。常用的辦法有兩種：第39頁(yè)，共81頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)6分，星期一

19、其一，除了施加信號(hào)電壓之外，再附加一個(gè) V/4 的固定偏壓，但會(huì)增加電路的復(fù)雜性，且工作點(diǎn)的穩(wěn)定性也差。其二，在光路上插入一個(gè)14波片(3.2-5圖)其快慢軸與晶體主軸x成45o 角，使E x和E y二分量間產(chǎn)生 /2 的固定相位差。(3.2-30)式中的總相位差m = Vm/V （相當(dāng)于3.2-30式中的 ）是相應(yīng)于外加調(diào)制信號(hào)vm的相位延遲。其中Vm sinmt 是外加調(diào)制信號(hào)電壓。第40頁(yè)，共81頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)6分，星期一因此，調(diào)制的透過(guò)率可表示為利用貝塞爾函數(shù)恒等式將上式展開(kāi)，得由此可見(jiàn)，輸出的調(diào)制光中含有高次詣波分量，使調(diào)制光發(fā)生畸變。為了獲得線性調(diào)制，必須將高次第41頁(yè)，共81頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)6分，星期一諧波控制在允許的范圍內(nèi)。設(shè)基頻波和高次諧波的幅值分別為I1和I2n+1