發(fā)光器件與光控器件

1、發(fā)光器件與光控器件第1頁，共48頁，2022年，5月20日，4點10分，星期二一、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的輻射，例如電燈變亮就是鎢絲加熱的結果。 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動（振動或轉動）而產(chǎn)生的全部輻射叫熱輻射，輻射體的溫度上升時，其帶電粒子的動能增加。 因而其發(fā)射的輻通量也增加。同時， 物體的溫度增高時，不但它的輻射量也增大，而且它的光譜組成也有變化。當運動的

2、粒子具有很大動能（即輻射體的溫度很高）時，就能產(chǎn)生可見的輻射。 第2頁，共48頁，2022年，5月20日，4點10分，星期二 光致發(fā)光材料的主要作用是將一種波長的光轉換為另一種波長，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換成短波光（即幾個能量小的光子激發(fā)出一個能量高的光子）。光致發(fā)光的主要應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。第3頁，共48頁，2022年，5月20日，4點10分，星期二下面主要介紹激光器和半導體發(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，

3、和鎢絲燈等常見光源相比，有許多突出的特點：方向性強、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，一臺巨脈沖紅寶石激光器的亮度可達 ，比太陽表面的亮度還高若干倍。 第4頁，共48頁，2022年，5月20日，4點10分，星期二第5頁，共48頁，2022年，5月20日，4點10分，星期二下面簡要介紹兩種激光器的工作過程和特點1)氦氖激光器 氦氖激光器的工作物質是氦氖混

4、合氣，利用氣體電離的方法使粒子數(shù)反轉。主要發(fā)光物質是氖氣。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（桔紅色）的激光。第6頁，共48頁，2022年，5月20日，4點10分，星期二2)注入式半導體激光器 注入式半導體激光器的基本結構就是一個PN結，為了產(chǎn)生激光。半導體要進行重摻雜，雜質濃度為 。在這樣高的雜質濃度下，PN結的能帶結構如下圖a所示。當給PN結加以正電壓（P端接高電位）時，PN結的能帶則變?yōu)閳Db的形式。

5、注入式半導體激光器中PN結的能帶 這時，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。在結區(qū)，導帶中電子的數(shù)目將超過價帶中電子的數(shù)目，從而即實現(xiàn)了導帶對于價帶的粒子數(shù)反轉。第7頁，共48頁，2022年，5月20日，4點10分，星期二 另外，作為激光器還要有諧振腔，它是利用半導體晶體的自然解理面來充當?shù)?。例如，砷化鎵晶體是立方形的，有三組彼此垂直的晶面，每組晶面嚴格的彼此平行，而且極光滑，經(jīng)過適當加工即可成為諧振腔。 砷化鎵單晶半導體激光器第8頁，共48頁，2022年，5月20日，4點10分，星期二注入式半導體激光器的工作過程如下： 加外電源使PN結進行正偏置。正向電流達到一定程度時，PN結區(qū)

6、即發(fā)生導帶對于價帶的粒子數(shù)反轉。 這時，導帶中的電子會有一部分發(fā)生輻射躍遷，同時產(chǎn)生自發(fā)輻射。自發(fā)輻射出來的光，是無方向性的。但其中總會有一部分光是沿著諧振腔腔軸方向傳播的，往返于半導體之間。 通過這種光子的誘導，即可使導帶中的電子產(chǎn)生受激輻射（光放大）。受激輻射出來的光子又會進一步去誘導導帶中的其它電子產(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。半導體激光器發(fā)光原理示意圖第9頁，共48頁，2022年，5月20日，4點10分，星期二 制作半導體激光器的材料多為 ，發(fā)光波長為800900nm，(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

7、，而在芯片的另一端常涂以金或銀的薄作為反射膜。 半導體激光器的優(yōu)點是，電光轉換效率高，體積小，結構穩(wěn)定，使用方便。因此多用作便攜式光源。此外，使用半導體激光泵浦倍頻晶體產(chǎn)生藍綠色激光，拓展了廣闊的應用前景。 第10頁，共48頁，2022年，5月20日，4點10分，星期二2、半導體發(fā)光二極管 半導體發(fā)光二極管和注入式半導體激光器類似，也是一個PN結，也是利用外電源向PN結注入電子來發(fā)光的。只是它的結構公差沒有激光器那么嚴格，而且無粒子數(shù)反轉、諧振腔等條件要求。所以，所發(fā)出的光不是激光，而是熒光。由于它的結構簡單，體積小，工作電流小，使用方便，成本低，所以在光電系統(tǒng)中應用得也極為普遍。 發(fā)光二極管

8、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。它們的結構原理都是類似的，下面著重以紅外發(fā)光二極管為例作一介紹 第11頁，共48頁，2022年，5月20日，4點10分，星期二1)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結的能帶結構來解釋。制作半導體發(fā)光二極管的材料是重摻雜的，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結阻擋層的限制，在常態(tài)下，二者不能發(fā)生自然復合。而當給PN結加以正向電壓時，溝區(qū)導帶中的電子則可逃過PN結的勢壘進入到P區(qū)一側。于是在PN結附近稍偏于P區(qū)一邊的地方，處于高能態(tài)的電子與空穴相遇時，便產(chǎn)生發(fā)光

9、復合。這種發(fā)光復合所發(fā)出的光屬于自發(fā)輻射，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，有的具有很復雜的能帶結構，相應的還有間接躍遷輻射等，因此有各種各樣的發(fā)光二極管。第12頁，共48頁，2022年，5月20日，4點10分，星期二 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系，稱為發(fā)光二極管的伏安特性。圖中， 為開啟電壓。U 時，二極管導通發(fā)光。U 時，二極管截止不發(fā)光。 的大小與材料、工藝等因素有關。一般GaAs管的 約為1.3V；GaP管的 約為2V；GaAsP管的 約為1

10、.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)光二極管伏安特性曲線 第13頁，共48頁，2022年，5月20日，4點10分，星期二(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，對于采用脈沖驅動的方式是很有利的，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系曲線 第14頁，共48頁，2022年，5月2

11、0日，4點10分，星期二（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，可認為是單色光。其它發(fā)光二極管的光譜特性曲線示于圖。第15頁，共48頁，2022年，5月20日，4點10分，星期二（4）溫度特性 溫度對PN結的復合發(fā)光是有影響的，在偏置電壓不變的情況下，結溫升高到一定程度后，電流將變小，發(fā)光亮度減弱，電流與溫度的關系大致如上圖所示。發(fā)光電流與溫度的關系曲線 第16頁，共48頁，2022年，5月20日，4點10分，星期二 （5）時間響應 這里說的時間響應

12、，是指發(fā)光二極管啟亮與熄滅時的時間延遲。發(fā)光二極管的響應時間很短，一般只有幾納秒至幾十納秒。當利用脈沖電流去驅動發(fā)光二極管時，應考慮到脈沖寬度、空度比與響應時間的關系。 （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 h以上。不過，電流密度對二極管的壽命是有影響的，電流密度大時，發(fā)光亮度高，壽命就會很快縮短。第17頁，共48頁，2022年，5月20日，4點10分，星期二3)發(fā)光二極管的使用要點(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行

13、組合使用時，應注意到二者的溫度特性是相反的。溫度升高時，發(fā)光二極管的電光轉換效率變小，亮度減弱。而硅的受光器件，光電轉換效率卻是增加的。所以使用時，應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?，當利用它和受光器件組合時，應注意到這一結構上的特點。發(fā)光管與受光管二者對得不準時，效果會變得很差。第18頁，共48頁，2022年，5月20日，4點10分，星期二二、光控器件 光控器件是對光的參量（振幅、頻率、相位、偏振狀態(tài)和傳播方向等）進行控制的器件。使光的參量發(fā)生變化的過程稱為調(diào)制。一般應用最多的是對光的振幅調(diào)制。因為光強與光的振幅平方成正比例，因此

14、對光的振幅調(diào)制也就是對光強的調(diào)制。第19頁，共48頁，2022年，5月20日，4點10分，星期二光的調(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，半導體激光器和半導體發(fā)光二極管所發(fā)的光，都與通過它的電流強度成正比例，改變電流強度，也就改變了它們的發(fā)光強度；激光器的發(fā)光都與光腔有關，如果把調(diào)制措施引入到光腔里面來，使調(diào)制器和光腔結成一個整體，也可以使出射光受到調(diào)制。一般內(nèi)調(diào)制的特點是，發(fā)光機制和調(diào)制機制緊密聯(lián)系，實行起來，有的簡單，有的復雜，多數(shù)情形不易調(diào)整。 外調(diào)制是指發(fā)光器和調(diào)制器是分開設立的，使光在傳播過程中受到調(diào)制的一種方式。其特點是，發(fā)光器與調(diào)制

15、器沒有內(nèi)在聯(lián)系，實行起來比較簡單，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)制器的性能對調(diào)制質量影響很大，一般對調(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。第20頁，共48頁，2022年，5月20日，4點10分，星期二1、電光調(diào)制器件 電光效應指一些光學介質在外電場的作用下，光學特性會發(fā)生改變。當其受到外電場作用時，它的折射率將隨著外電場變化，介電系數(shù)和折射率都與方向有關，要用張量來描述，在光學性質上變?yōu)楦飨虍愋?；而不受外電場作用時，介電系數(shù)和折射率都是標量，與方向無關，在光學性質上是各向同性的。 已發(fā)現(xiàn)兩種電光效應，一種是折射率的變化量與外電場強度

16、的一次方成比例，稱為泡克耳斯（Pockels）效應；另一種是折射率的變化量與外電場強度的二次方成比例，稱為克爾（Kerr）效應。利用克爾效應制成的調(diào)制器，稱為克爾盒，其中的光學介質為具有電光效應的液體有機化合物。利用泡克耳斯效應制成的調(diào)制器，稱為泡克耳斯盒，其中的光學介質為非中心對稱的壓電晶體。泡克耳斯盒又有縱向調(diào)制器和橫向調(diào)制器兩種。 第21頁，共48頁，2022年，5月20日，4點10分，星期二幾種電光調(diào)制器的基本結構形式克爾盒 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，安裝時使它們的光軸方向彼此垂直。第22頁，共48頁，2022年，5月20日，4點

17、10分，星期二1)電光調(diào)制器的原理 當不給克爾盒加電壓時，盒中的介質是透明的，各向同性的非偏振光經(jīng)過P后變?yōu)檎駝臃较蚱叫蠵光軸的平面偏振光。 通過克爾盒時不改變振動方向。到達Q時，因光的振動方向垂直于Q光軸而被阻擋，所以Q沒有光輸出。 給克爾盒加電壓時，盒中的介質則因有外電場的作用而具有單軸晶體的光學性質，光軸的方向平行于電場。這時，通過它的平面偏振光則改變其振動方向。所以，經(jīng)過起偏器P產(chǎn)生的平面偏振光，通過克爾盒后，振動方向就不再與Q光軸垂直，而是在Q光軸方向上有光振動的分量，所以，此時Q就有光輸出了。第23頁，共48頁，2022年，5月20日，4點10分，星期二 Q的光輸出強弱，與盒中的介

18、質性質、幾何尺寸、外加電壓大小等因素有關。對于結構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。由此即實現(xiàn)了對光的調(diào)制。 對前圖a而言的幾個量的方位關系圖 右圖示出幾個偏振量的方位關系，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；外電場使克爾盒中電光介質產(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)。 第24頁，共48頁，2022年，5月20日，4點10分，星期二設自然光經(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光軸

19、，所以，它通過介質時產(chǎn)生雙折射。但是，這個光的o光和e光在介質中的折射率不同，而且o光的振動方向垂直于主截面（光軸與光線所構成的平面），e光的振動方向在主截面內(nèi)，所以，o光和e光在介質中的傳播速度不同。這兩種光在介質的輸入端是同相的，而通過一定厚度的介質達到輸出端時，將要有一定的相位差。因此，o光和e光在介質輸出端的表達式為 e光， Esintsin o光， Esin(t+)cos 式中，下標l代表介質厚度，代表o、e光通過厚度為l的介質后所產(chǎn)生的相位差。第25頁，共48頁，2022年，5月20日，4點10分，星期二 此式對于克爾盒和泡克耳斯盒都適用，其中的 隨著盒中介質的不同而不同。可以證明

20、，P與Q的設置，當/4時輸出最強，此時上式變?yōu)?式中， 為通過檢偏器Q的光振動的振幅。 由于發(fā)光強度I正比于振幅的平方，則有 當o、e光達到Q時，只有平行于Q光軸N的分量能通過，垂直于N的分量則被阻擋。所以，通過Q的光為第26頁，共48頁，2022年，5月20日，4點10分，星期二 對于具有克爾效應的介質，理論分析指出，o、e光通過厚度為l的介質后，所產(chǎn)生的相位差為 式中，k克爾系數(shù)，與介質種類有關； 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的平方成線性關系?，F(xiàn)作如下的討論： 1）如果U=0，則 =0，I=0。這是不給克爾盒加電壓，Q無光輸出時的情形。 2）如

21、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Q有最大的光輸出。o、e光相位差等于，相應的光程差為/2，即( - )l=/2。這時克爾盒的作用，相當于一個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 。第27頁，共48頁，2022年，5月20日，4點10分，星期二 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。 克爾效應的時間響應特別快，可跟得上1010Hz的電壓變化，因此可用它來作高速的電光開關。如果加到克爾盒上的電壓是由其它物理量轉換來的調(diào)制信號，克爾

22、盒的光輸出就要隨著信號電壓而變化，這時克爾盒就是電光調(diào)制器。 克爾盒中所用的介質，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。第28頁，共48頁，2022年，5月20日，4點10分，星期二 泡克耳斯盒里所裝的是具有泡克耳斯效應的電光晶體，它的自然狀態(tài)就有單軸晶體的光學性質，安裝時，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，電場平行于光軸，橫向調(diào)制的泡克耳斯盒，電場垂直于光軸。 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

23、常用。 b) 縱調(diào)的泡克耳斯盒 c) 橫調(diào)的泡克耳斯盒第29頁，共48頁，2022年，5月20日，4點10分，星期二 以縱調(diào)的泡克耳斯盒為例說明其電光調(diào)制原理。在不給泡克耳斯盒加電壓時，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。當光離開晶體達到Q時，光的振動方向沒變，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。 當給泡克耳斯盒加以電壓時，電場會使晶體感應出一個新的光軸OG。OG的方向發(fā)生于同電場方向相垂直的平面內(nèi)。由于這種電感應，便使晶體產(chǎn)生了一個附加的各向異性。使晶體對于振動方向平行于OG和垂直于OG的兩種偏振光的折射率不

24、同，因此這兩種光在晶體中傳播速度也就不同。當它們達到晶體的出射端時，它們之間則存在著一定的相位差。合成后，總光線的振動方向就不再與Q的光軸N垂直，而是在N方向上有分量，因此，這時Q則有光輸出。 第30頁，共48頁，2022年，5月20日，4點10分，星期二 因為晶體是各向異性的，在不同方向有不同的光學性質，所以要用二階電光張量rij來描述。但可以證明，對于泡克耳斯盒中的晶體，因電感應產(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

25、中的波長。第31頁，共48頁，2022年，5月20日，4點10分，星期二 對泡克耳斯盒，半波電壓為 此時， ， ，Q的光輸出最大。 泡克耳斯效應的時間響應也特別快，能跟得上 Hz的電壓變化，而且 與U成線性關系，所以多用泡克耳斯盒來作電光調(diào)制器。第32頁，共48頁，2022年，5月20日，4點10分，星期二 2）電光調(diào)制器的主要性能參量 （1）半波電壓 （或 ） 是使調(diào)制器光輸出達到最大時所需的電壓，這個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： 對于線性調(diào)制器，要求信號不失真，調(diào)制器的透過率與調(diào)制電壓能有良好的線性關系。可

26、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)工作點一般都設在 /2 附近。 第33頁，共48頁，2022年，5月20日，4點10分，星期二 當U /2時，泡克耳斯盒的作用相當于一個/4波片。所以，為了使靜態(tài)工作點能設在直線區(qū)，常在泡克耳斯盒和檢偏器Q之間插入1個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/4波片的區(qū)別示意圖不加/4波片 b) 加/4波片第34頁，共48頁，2022年，5月20日，4點10分，星期二3）調(diào)制帶寬ff與調(diào)制器的等效電容有關，低頻時f與調(diào)制功率成正比。這就要求光波在晶體中

27、的渡越時間 要遠小于調(diào)制信號的周期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，對于一定的調(diào)制器有一最高調(diào)制頻率第35頁，共48頁，2022年，5月20日，4點10分，星期二4）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，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、電場的均勻性以及對偏振器的調(diào)整等因素有關。目前對單色、小發(fā)散角的激光束來說，消光比可達10010000。第36頁，共48頁，2022年，5月20日，4點10分，星期二1.敘述半導體激光器和發(fā)光二極管的發(fā)光原理2敘述

28、電光調(diào)制器克爾盒的工作原理第37頁，共48頁，2022年，5月20日，4點10分，星期二2、聲光調(diào)制器件與偏轉器件 聲光效應：聲波在介質中傳播時，會引起介質密度（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，當光波入射于聲光柵時，即發(fā)生光的衍射。 聲光器件是基于聲光效應的原理來工作的，分為聲光調(diào)制器和聲光偏轉器兩類，它們的原理、結構、制造工藝相同，只是在尺寸設計上有所區(qū)別。聲光器件的基本結構示意圖 聲光器件由聲光介質和換能器兩部分組成。常用的聲光介質有鉬酸鉛晶體（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變?yōu)槌暡?，并向聲光介質中

29、發(fā)射的一種能量變換器。 第38頁，共48頁，2022年，5月20日，4點10分，星期二聲光相互作用有兩種情形： 1.正常光聲相互作用。介質的光學性質是各向同性的，介質的折射率與入射光的方向、偏振狀態(tài)無關，此時，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|中光的波動方程出發(fā)，利用介質應變與折射率變化之間的關系，來描述聲光效應，可用聲光柵來說明光在介質中的衍射。 2.反常聲光相互作用。介質的折射率與入射光的方向、偏振狀態(tài)有關，需要考慮介質在光學性質上的各向異性。這時，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，就不能用聲光柵來說明光在介質中的衍射現(xiàn)象了

30、。 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。第39頁，共48頁，2022年，5月20日，4點10分，星期二 式中， 為入射角，實際是掠射角，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為衍射光的級數(shù)。 超聲場中，由于介質密度周期性的疏密分布而形成聲光柵，柵距等于1個超聲波的波長。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 滿足以下條件時，衍射光強最大。第40頁，共48頁，2022年，5月20日，4點10分，星期二 若掠射角 0，即入射光平行于聲光柵的柵線

31、入射時，聲光 柵所產(chǎn)生的衍射光圖案和普通光學光柵所產(chǎn)生的衍射光圖案類似，也是在零級條紋兩側，對稱地分布著各級衍射光的條紋，而且衍射光強逐級減弱。這種衍射稱為喇曼-奈斯衍射。 理論分析指出，衍射光強和超聲波的強度成正比例。因此，即可利用這一原理來對入射光進行調(diào)制。調(diào)制信號如果是非電信號的話，首先要把它變?yōu)殡娦盘?，然后作用到超聲波發(fā)生器上，使聲光介質產(chǎn)生的聲光柵與調(diào)制信號相對應。這時入射激光的衍射光強，則正比于調(diào)制信號的強度。這就是聲光調(diào)制器的原理。 實現(xiàn)喇曼-奈斯衍射的條件是: 式中，L稱為聲光相互作用長度。第41頁，共48頁，2022年，5月20日，4點10分，星期二 掠射角 0時，一般情況下

32、，衍射光都很弱，只有滿足條件: 時，衍射光最強。上式稱為布拉格條件。此時的衍射光是不對稱的，只有正一級或負一級。衍射效率（衍射光強與入射光強之比）可接近100%。這種衍射稱為布拉格衍射。 掠射角 與衍射角 之和，也稱為偏轉角。即 式中，v和F分別為超聲波在介質中的傳播速度和頻率。 由此可知，偏轉角正比于超聲波的頻率。故改變超聲波的頻率（實際是改變換能器上電信號的頻率）即可改變光束的出射方向，這就是聲光偏轉器的原理。 使上式成立的條件是: 第42頁，共48頁，2022年，5月20日，4點10分，星期二3、磁光調(diào)制器件與隔離器件 原來沒有旋光性的透明介質，如水、鉛玻璃等，放在強磁場中，可產(chǎn)生旋光性

33、，這種現(xiàn)象稱為法拉第效應。具體的現(xiàn)象是，把磁光介質放到磁場中，使光線平行于磁場方向通過介質時，入射的平面偏振光的振動方向就會發(fā)生旋轉，轉角的大小與磁光介質的性質、光程和磁場強度等因素有關。其規(guī)律為 VlHcos 式中，為振動面旋轉的角度，l為光程，H為磁場強度，為光線與磁場的夾角，V為比例常數(shù)，稱費爾德常數(shù)，它與磁光介質和入射光的波長有關，是一個表征介質磁光特性強弱的參量。 不同介質，振動面的旋轉方向不同。順著磁場方向看，使振動面向右旋的，稱為右旋或正旋介質，V為正值。反之，則稱為左旋或負旋介質，V為負值。 第43頁，共48頁，2022年，5月20日，4點10分，星期二 對于給定的磁光介質，振動面的旋轉方向只決定于磁