54聲光調(diào)制解析

1四、聲光器件聲光效應(yīng)與電光效應(yīng)類(lèi)似，都是以某一種信號(hào)加到介質(zhì)上，影響介質(zhì)的光學(xué)特性，從而使在介質(zhì)中傳輸?shù)墓獍l(fā)生相應(yīng)的變化.下面介紹聲光效應(yīng)的應(yīng)用1、聲光調(diào)制器2、聲光偏振器3、聲光Q開(kāi)關(guān)21、聲光調(diào)制器原理結(jié)構(gòu)圖利用晶體的反壓電效應(yīng)行波場(chǎng)駐波場(chǎng)31、聲光調(diào)制器從原理上來(lái)講，聲光效應(yīng)既可以用于光強(qiáng)調(diào)制，也可以用于頻率調(diào)制衍射光的頻率與入射光不同，改變量決定于聲波頻率，因而可以通過(guò)控制聲頻來(lái)實(shí)現(xiàn)光頻率調(diào)制然而光頻率改變量很小，所以調(diào)制意義不大實(shí)際應(yīng)用中還是以光強(qiáng)調(diào)制為主4通常利用的是±1級(jí)衍射光，所以必須擋住0級(jí)光一級(jí)衍射效率為要想獲得線性調(diào)制，要求（1）拉曼-奈斯型聲光調(diào)制器又可見(jiàn)當(dāng)聲頻較高時(shí)，最大允許工作長(zhǎng)度比較短，這要求大大提高聲功率。所以拉曼-奈斯型聲光調(diào)制器僅限于低頻工作衍射效率低5（2）布拉格衍射型聲光調(diào)制器由于布拉格衍射只有0級(jí)和1級(jí)衍射光，因而有較高的效率在聲功率Ps或聲強(qiáng)Is較小的情況下，衍射效率隨Is單調(diào)的增加，式中的余弦項(xiàng)因子是考慮了布拉格角對(duì)聲光作用的影響若對(duì)聲強(qiáng)加以調(diào)制，衍射光強(qiáng)也受到調(diào)制優(yōu)點(diǎn)：1、衍射效率高；調(diào)制帶寬大品質(zhì)因數(shù)6調(diào)制帶寬調(diào)制帶寬是聲光調(diào)制器的一個(gè)重要參量，它是衡量能否無(wú)畸變地傳輸信息的一個(gè)重要指標(biāo)。具體知識(shí)自學(xué)該知識(shí)點(diǎn)作為一個(gè)課程設(shè)計(jì)題目：布拉格聲光調(diào)制器的調(diào)制帶寬（討論發(fā)散角及匹配問(wèn)題）1、4人一組；2、每個(gè)題目安排兩個(gè)小組；3、每組出一名代表做ppt講解匯報(bào)；4、小組提交一份電子、紙質(zhì)設(shè)計(jì)報(bào)告；72、聲光偏轉(zhuǎn)器布拉格衍射由于衍射效率高，在科研中廣泛應(yīng)用，除了進(jìn)行聲光強(qiáng)度調(diào)制外，另一類(lèi)應(yīng)用是聲光偏轉(zhuǎn)從前面分析中可以看出，衍射角隨聲波頻率改變，因而控制聲波頻率就可以控制光電衍射方向θB一般很小，可寫(xiě)為8當(dāng)滿(mǎn)足布拉格條件時(shí)，衍射光、入射光和聲波之間滿(mǎn)足動(dòng)量守恒，三者的波矢構(gòu)成一封閉三角形當(dāng)聲波的頻率變化時(shí)，其波矢也發(fā)生改變。由于入射角未變，所以衍射光波矢大小也不變，因此動(dòng)量矢量圖將不再閉合，此時(shí)光束將沿動(dòng)量失配最小的方向偏轉(zhuǎn)，即圖中的OB方向9故偏轉(zhuǎn)角為可見(jiàn)光束偏轉(zhuǎn)角與聲頻變化量成正比決定偏轉(zhuǎn)效果好壞不僅來(lái)自于絕對(duì)偏轉(zhuǎn)角，同光束發(fā)散角有關(guān)。值得關(guān)注的是Δθ超過(guò)光束遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角δθ的倍數(shù)，也就是可分辨的光斑數(shù)N10聲光偏轉(zhuǎn)器可分辨光斑數(shù)目光束遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角式中τ為聲波穿過(guò)光束截面所需的時(shí)間（渡越時(shí)間）可見(jiàn)，提高τ可以提高分辨率，但又會(huì)降低偏轉(zhuǎn)速度導(dǎo)致帶寬減小，進(jìn)而降低分辨率。所以提高分辨率的有效途徑是增加ΔΩ聲光偏轉(zhuǎn)是在動(dòng)量失配下實(shí)現(xiàn)的，因此不能靠增加ΔΩ來(lái)增加偏轉(zhuǎn)角度，否則將使器件偏離布拉格條件過(guò)遠(yuǎn)，引起衍射效率急劇下降，失去實(shí)用意義11

磁光調(diào)制的物理基礎(chǔ)是磁光效應(yīng)，即晶體在受到磁場(chǎng)作用時(shí)表現(xiàn)出旋光特性，稱(chēng)為法拉第效應(yīng)5.5磁光調(diào)制1845年法拉第發(fā)現(xiàn)，當(dāng)一束線偏振光通過(guò)磁場(chǎng)作用下的某些物質(zhì)時(shí)，其偏振面受到外加磁場(chǎng)平行傳播方向分量的作用而發(fā)生偏轉(zhuǎn)，這種現(xiàn)象稱(chēng)為法拉第效應(yīng)12

光在晶體中沿光軸方向傳播時(shí)，不產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象。但在很多晶體中，線偏振光沿光軸方向通過(guò)晶體后，偏振面卻發(fā)生了旋轉(zhuǎn)，這就是旋光效應(yīng)旋光現(xiàn)象一、自然旋光效應(yīng)13

F為濾色片；M為起偏器；C是旋光物質(zhì)（例如是晶面與光軸垂直的石英片）旋光物體放在兩個(gè)正交的偏振片M與N之間，將會(huì)看到視場(chǎng)由原來(lái)的零變亮，把檢偏器N旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，又可得到零視野說(shuō)明：光軸垂直于入射表面，即入射光波矢平行于光軸實(shí)驗(yàn)證明：振動(dòng)面旋轉(zhuǎn)的角度

與材料的厚度d、濃度C

以及入射光的波長(zhǎng)

有關(guān)。14比例系數(shù)α為光通過(guò)厚度為1mm的旋光物質(zhì)時(shí)的旋轉(zhuǎn)角，稱(chēng)為旋光系數(shù)

3、若改變不同波長(zhǎng)的濾光片，可發(fā)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)角與波長(zhǎng)有關(guān)，亦即α近似地隨波長(zhǎng)倒數(shù)的平方而變，波長(zhǎng)越短，旋轉(zhuǎn)角度越大，這種現(xiàn)象稱(chēng)為旋光色散對(duì)于固體：對(duì)于液體：式中C為溶液的濃度。1、不沿光軸傳播時(shí)，旋光現(xiàn)象往往被雙折射現(xiàn)象所產(chǎn)生的效果掩蓋，只有沿光軸傳播時(shí)，旋光現(xiàn)象才能顯示出來(lái)2、偏振面的旋轉(zhuǎn)角與通光長(zhǎng)度成正比15旋光現(xiàn)象的定性解釋線偏光沿石英晶體光軸方向傳播時(shí)，分解成左旋和右旋兩個(gè)圓偏振光，這兩者的傳播相速不同（對(duì)應(yīng)著不同的折射率n左和n右），光波由晶體射出時(shí)，較快的一個(gè)圓偏振光比較慢的一個(gè)位相超前。由于圓偏振光的電矢量E是在垂直光線的固定平面內(nèi)作勻速圓周運(yùn)動(dòng)，所以位相就是E轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，位相超前就是指它比另一個(gè)圓偏光的電矢量轉(zhuǎn)過(guò)了絕對(duì)值較大的角度。因此兩個(gè)圓偏光重新合成線偏光時(shí)，其偏振面相對(duì)于入射時(shí)轉(zhuǎn)過(guò)了一個(gè)角度θ若晶片厚度為l，一束線偏光通過(guò)晶片后的旋轉(zhuǎn)角應(yīng)為16迎著光線看（對(duì)著光的傳播方向），光矢量順時(shí)針轉(zhuǎn)的稱(chēng)右旋圓偏振光（或橢圓偏振光）；光矢量逆時(shí)針轉(zhuǎn)的稱(chēng)左旋圓偏振光（或橢圓偏振光）左旋圓偏振光右旋橢圓偏振光17

當(dāng)光波進(jìn)入施加了磁場(chǎng)的介質(zhì)時(shí)，其傳播特性發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱(chēng)為磁光效應(yīng)。磁光效應(yīng)包括法拉第旋光效應(yīng)、克爾效應(yīng)、磁雙折射效應(yīng)等式中，V稱(chēng)為費(fèi)爾德常數(shù)，B為平行于光傳播方向的磁感應(yīng)強(qiáng)度二、磁光相互作用法拉第旋光效應(yīng)：一束線偏振光在外加磁場(chǎng)作用下的介質(zhì)中傳播時(shí)，其偏振方向發(fā)生旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角度

與沿光束方向的磁場(chǎng)強(qiáng)度B和通光長(zhǎng)度L成正比，即183.磁致旋光效應(yīng)的旋轉(zhuǎn)方向僅與磁場(chǎng)方向有關(guān)，而與光線傳播方向的正逆無(wú)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(guò)自然旋光物質(zhì)時(shí)，因旋轉(zhuǎn)角相等方向相反而相互抵消)。但通過(guò)磁光介質(zhì)時(shí)，只要磁場(chǎng)方向不變，旋轉(zhuǎn)角都朝一個(gè)方向增加，此現(xiàn)象表明磁致旋光效應(yīng)是一個(gè)不可逆的光學(xué)過(guò)程，因而可利用來(lái)制成光學(xué)隔離器或單通光閘等器件1.磁場(chǎng)作用下，線偏振光經(jīng)過(guò)晶體后仍然是線偏振光2.振動(dòng)面旋轉(zhuǎn)的角度θ與沿光束傳播方向的磁場(chǎng)強(qiáng)度B和材料通光方向的長(zhǎng)度L成正比磁致旋光的特點(diǎn)19自然旋光效應(yīng)與磁光效應(yīng)的區(qū)別1、光束反向通過(guò)自然旋光介質(zhì)時(shí)，偏振面的旋轉(zhuǎn)角度與正向入射時(shí)相反，因而往返通過(guò)介質(zhì)時(shí)總效果為零；2、磁光效應(yīng)中，旋轉(zhuǎn)方向與磁場(chǎng)方向有關(guān)，B方向確定后，光正向和反向通過(guò)介質(zhì)時(shí)偏振面的旋轉(zhuǎn)方向相同，則增加一倍20課程設(shè)計(jì)題目設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，驗(yàn)證自然旋光效應(yīng)和磁光效應(yīng)的特點(diǎn)（畫(huà)出實(shí)驗(yàn)方案圖，說(shuō)明實(shí)驗(yàn)原理和預(yù)期結(jié)論）實(shí)驗(yàn)測(cè)量糖溶液的旋光系數(shù)211.磁光隔離器磁光材料產(chǎn)生法拉弟旋光效應(yīng)

，起偏與檢偏夾角三、磁光器件利用磁致旋光只依賴(lài)于磁場(chǎng)方向，而與光傳播方向無(wú)關(guān)的性質(zhì)制成。22

磁光調(diào)制是把欲傳遞的信息轉(zhuǎn)換成光載波的強(qiáng)度(振幅)等參量隨時(shí)間的變化，與電光調(diào)制、聲光調(diào)制所不同的是，磁光調(diào)制是電信號(hào)先轉(zhuǎn)換成與之對(duì)應(yīng)的交變磁場(chǎng)，由磁光效應(yīng)改變?cè)诮橘|(zhì)中傳輸?shù)墓獠ǖ钠駪B(tài)，從而達(dá)到改變光強(qiáng)度等參量的目的。磁光體調(diào)制器的組成如圖所示。二、磁光調(diào)制器23

工作物質(zhì)釔鐵石榴石(YIG或摻Ga的YIG棒)放在沿軸方向z的光路上，它的兩端放置有起、檢偏器，高頻螺旋形線圈環(huán)繞在YIG棒上，受驅(qū)動(dòng)電源的控制，用以提高平行于z軸的信號(hào)磁場(chǎng)。為了獲得線性調(diào)制，在垂直于光傳播的方向上加一恒定磁場(chǎng)Hdc，其強(qiáng)度足以使晶體飽和磁化。當(dāng)工作時(shí)，高頻信號(hào)電流通過(guò)線圈就會(huì)感生出平行于光傳播方向的磁場(chǎng)，入射光通過(guò)YIG晶體時(shí)，由于法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，其偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角與磁場(chǎng)強(qiáng)度H成正比。24因此，只要用調(diào)制信號(hào)控制磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化，就會(huì)使光的偏振面發(fā)生相應(yīng)的變化。但這里因加有恒定磁場(chǎng)Hdc

，且與通光方向