光电子学-第五章课件.ppt

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1、光辐射的调制,光调制概述,光调制目的：使光波携带信息，达到传输信息的目的,光调制的实现手段：使光波中的某种可测参量随着信号的变化而变化，当接收到被调制后的光波后，记录下被调制参量的变化就能获得光波所传递的信息,用于光通信的光是相干光，相干光的可测参量包括光的强度（振幅）、频率、位相和偏振态。,光调制概述,根据被调制的参量将光调制分类：,强度调制用光电探测器接收 频率调制用外差接收系统接收 相位调制用外差接收系统接收 偏振调制在接收系统中设置偏振片检偏,光调制的基本概念与分类,振幅调制,振幅调制：使载波光场的振幅按照调制讯号的规律变化的过程,调制前：,调制后：,光调制的基本概念与分类,振幅调制,

2、振幅调制：使载波光场的振幅按照调制讯号的规律变化的过程,调幅波的频谱分析：,光调制的基本概念与分类,调制前：,调制后：,强度调制：使载波光场的光强按照调制信号的规律变化的过程,强度调制,光调制的基本概念与分类,强度调制：使载波光场的光强按照调制信号的规律变化的过程,强度调制,考虑经过光强调制以后，不失真，则平均光强选在 I0/2,波形不失真要求mp1，即：,光调制的基本概念与分类,相位调制和频率调制(调相和调频),相位(频率)调制：使载波光场的相位(频率)按调制信号的规律变化的过程。,总相位：,调频和调相的相同点：,是使总相位(t)变化按调制信号的规律变化。,光调制的基本概念与分类,相位调制和

3、频率调制(调相和调频),相位(频率)调制：使载波光场的相位(频率)按调制信号的规 律变化的过程。,调频过程：,光调制的基本概念与分类,调频和调相波的频谱,调频和调相实质上都是调制总相角，可写成统一的形式：,可以得到最终的调频场为：,光调制的基本概念与分类,调频和调相波的频谱,调频和调相实质上都是调制总相角：,频谱是由光载波频率与其两边对称分布的无穷多对边频所组成的。各边频之间的频率间隔为调制信号频率wm,各边频幅度的大小由贝塞尔函数Jn(m)决定。,光调制概述,光调制按照调制机理分类：电光调制、声光调制、磁光调制,光调制按照调制对象分类：内调制、外调制,内调制：直接对光源进行调制-调制激光器的

4、激励功率-调制激光器共振腔长度,外调制：在光传输路径上设置某种介质做成的调制器，通过电光、声光、磁光调制手段，改变介质的传输特性，使得光通过该介质时某种光可变参量随信号变化，达到调制目的。,光调制概述,调制 机理？,光通过介质时的传输特性,外调制器的调制机理都是基于改变调制器介质的光学常数折射率和介电张量，引起通过调制器的光波的参量发生变化，从而达到调制的目的。,光波在单轴晶体中传播的解析描述,光波在单轴晶体中的传播规律,在单轴晶体中存在两种特许偏振方向的光波：o光和e光。对应于某一波法线方向k有两条光线：so和se.,o光折射率不依赖于k的方向，EoDo,sok,e光折射率随k的方向改变，E

5、e与De一般不平行,但都在k与光轴所确定的平面内。se与k亦不重合,o光与e光的场振动矢量彼此垂直：EoEe,DoDe,折射率椭球迅速直观地描述光波在晶体中的双折射现象,折射率椭球方程：,折射率椭球的物理意义：表征了晶体折射率在晶体空间的各个方向上全部取值分布的几何图形。,折射率椭球的性质:(d,n)曲面,利用折射率椭球分析光在单轴晶体中的传播特性,折射率椭球主轴坐标系方程,对于单轴晶体有n1=n2=no,n3=ne,所以得到：,旋转椭球,T(0，n”cos q,n”sinq)点在椭球上，满足方程：,X2,X3,X1,在单轴晶体中，与给定单位波矢方向k对应的o光和e光诸矢量的关系如下图,理想单

6、色平面波在晶体中的传播,光波在单轴晶体中传播的解析描述,电光调制,晶体的电光效应,电光效应是指晶体在低频外电场作用下，晶体光学特性（折射率）发生改变的效应。利用电光效应可以方便地实现光调制,线性电光效应（Pockels）：折射率的改变与外场电场强度的大小成正比二次电光效应（Kerr）：折射率的改变与外场电场强度的平方成正比,电光效应分类,电光调制,晶体的电光效应,如何描述电光效应？,光在晶体中的传播规律遵从光的电磁理论。而折射率椭球描述了晶体的折射率在空间各个方向的取值分布。,所以通过研究晶体折射率椭球的大小、形状和取向的变化，来研究外电场对晶体光学特性的影响。,外加电场对晶体光学特性的影响，

7、必然会通过折射率椭球的变化反映出来。,电光调制,晶体的电光效应,晶体的折射率椭球的一般形式为:,电光调制,折射率椭球的变化可以用系数变化Dbij描述，则外加电场后的感生折射率椭球可写为：,晶体的电光效应,线性电光效应，gijk是三阶张量,二次电光效应，hijkl是四阶张量,电光调制,晶体的电光效应,线性电光效应:,电光调制,线性电光系数矩阵,加电场后的椭球,未加电场的折射率椭球,电光系数矩阵，27个元,外加电场,电光系数矩阵，18个元,各种晶体的电光系数矩阵gmk可以从相应的手册上查出gmk描述了外加电场对晶体光学特性的线性效应已知晶体系数矩阵和光场，则可以求得晶体的折射率变化,晶体的线性电光

8、系数矩阵,电光调制,线性电光效应,求解感生折射率椭球:,已知：未加电场时折射率椭球,加电场后折射率椭球：,电场导致介质折射率发生变化，将会改变光场在该介质中的传输特性,电光调制,KDP类晶体的线性电光效应,KDP(KH2PO4,磷酸二氢钾)晶体是人工晶体，在0.21.5 m波长范围内透明度很高，且抗激光破坏阈值很高。它的主要缺点是易潮解。,KDP型晶体外型图光轴方向为x3轴方向,KDP晶体是单轴晶体，属四方晶系。其主轴折射率分别为no，ne，无外加电场时，折射率椭球为旋转椭球：,KDP晶体的电光系数矩阵为：,电光调制,KDP类晶体的线性电光效应,KDP型晶体外型图光轴方向为x3轴方向,感生折射

9、率椭球系数为：,施加电场E后，KDP晶体的线性电光效应为：,折射率椭球由原来的正旋转椭球变为三轴椭球,三个椭球轴与晶体主轴有了倾斜角,即变为双轴晶。,电光调制,KDP类晶体的线性电光效应,加任意电场后KDP类晶体的折射率椭球方程写为：,E1,E2为垂直于光轴的外加电场，其电光效应与g41有关E3为平行于光轴的外加电场，其电光效应与g63有关,KDP类晶体的线性电光效应运用方式分类,按外加电场方向分类：电场加在光轴(x3)方向 g63 电场加在垂直于光轴x3方向 g41,电场确定后，又可以按通光方向分为两类：纵向电光效应：通光方向与电场方向平行 横向电光效应：通光方向与电场方向垂直,电光调制,g

10、63电光效应,电场沿x3（光轴）方向施加,E1=E2=0，此时折射率椭球方程为：,上式有交叉项椭球变形通过主轴化求出感生折射率椭球三主轴大小与方向：,电光调制,g63电光效应,电场沿x3（光轴）方向施加，感生折射率椭球绕x3 轴转动了45，E3正号则逆时针，E3负号则顺时针,电场沿x3（光轴）方向施加时感生主折射率的变化量为：,电光调制,g63纵向电光相位延迟,一般半波电压都很大！,通过晶体后两光产生相位差为：,半波电压：所加电压使两线偏振光的相差满足G=p。,电光调制,g63横向电光相位延迟,横向运用最大的优点是可以利用增大纵横比来降低半波电压。,通过晶体后两光产生相位差为：,电光调制,g6

11、3横向电光效应的补偿方式,第二块晶体相对于第一块翻转90度放置，电场反向,电光调制,g63横向电光效应的补偿方式,第二块晶体相对于第一块翻转180度放置,电光调制,KDP类晶体的电光振幅调制,KDP晶体g63纵向运用,入射光强为：,调制光强为：,电光调制,KDP类晶体的电光振幅调制,KDP晶体g63纵向运用,调制光强为：,调制器的透过率为：,为减小失真，使透过率线性变化：,电光调制,KDP类晶体的电光振幅调制,振幅调制或强度调制:KDP晶体g63纵向运用,输出光强仍为正弦变化,不失真。,可见失真程度很小,电光调制,KDP类晶体的电光相位调制,输出光强为:,外电场不改变出射光的偏振状态，仅改变其

12、相位,电光调制,光电子学实验-铌酸锂（LiNbO3）晶体横向调制,LN晶体是单轴晶体，其线性电光系数矩阵为：,没有加电场之前，LN的折射率椭球为：,加上电场之后，其折射率椭球变为：,电光调制,光电子学实验-铌酸锂（LiNbO3）晶体横向调制,实验光路为：,横向电光调制：,加上横向电场之后，其折射率椭球变为：,新的主轴折射率为：,电光调制,光电子学实验-铌酸锂（LiNbO3）晶体横向调制,实验光路为：,LN的横向电光延迟为：,电光调制,光电子学实验-铌酸锂（LiNbO3）晶体横向调制,实验光路为：,电光调制,光电子学实验-铌酸锂（LiNbO3）晶体横向调制,LN的横向振幅调制光强：,光强透过率T

13、为,电光调制,电光波导相位调制器,电光波导强度调制器,电光波导调制器,超声波通过介质时，介质中的各点将出现随时间和空间周期性变化的弹性应变。引起介质中各点的折射率产生相应的周期性变化。,声光调制,声光衍射效应,按照超声波频率的高低和介质中声光相互作用长度的不同，由声光效应产生的衍射有两种常用的极端情况：喇曼乃斯(Raman-Nath)衍射和布拉格衍射。,衡量参量：,当Q-喇曼乃斯衍射当Q4-布拉格衍射,声光效应：当光通过有超声波作用的介质时，相位受到调制，其结果如同它通过一个衍射光栅，光栅间距等于声波波长，光束通过这个光栅时就要产生衍射。,声光调制,声光衍射效应-拉曼-奈斯衍射,拉曼-纳斯衍射

14、：,拉曼-纳斯衍射的特点：由出射波阵面上各子波源发出的次波将发生相干作用，形成与入射方向对称分布的多级衍射光。,声波通过介质介质中产生随时间、空间周期变化的弹性波折射率周期变化相当于“相位光栅”发生光的衍射,声光调制,声光衍射效应-拉曼-奈斯衍射,设宽度为D 的光波垂直入射宽度为L 声波柱，则在声场外P点处总的衍射光强是所有子波源贡献的和.,介质中传播声频行波表示为,折射率相应规律变化,则在L/2处出射光波为,若在-L/2处入射光波为,声光调制,声光衍射效应-拉曼-奈斯衍射,设宽度为D 的光波垂直入射宽度为L 声波柱，则在声场外P点处总的衍射光强是所有子波源贡献的和.,平面相位光栅衍射,从X点

15、的子波到达P点的扰动为：,在P点得到的光波复振幅是全光束口径D上子波和,声光调制,宽度为D 的光波垂直入射宽度为L 声波柱，在声场外P点处总的衍射光强,极大值方向：,零级亮纹两边对称分布高级亮纹衍射角大小与声波频率成反比,极大值光强：,同级衍射光强相等,衍射光发生频移：,声光衍射效应-拉曼-奈斯衍射,声光调制,光电子学实验-拉曼-奈斯声光调制,拉曼奈斯衍射各级衍射光的光强度,对于一级衍射光强度与超声波功率正比,拉曼奈斯衍射只适用于振幅较大的低频弹性波的情况,声光调制,光电子学实验-拉曼-奈斯声光调制,观察拉曼奈斯衍射现象,超声波信号源的功率影响衍射光的强度超声波信号源的功率影响衍射角的大小,声

16、光调制,晶体的声光效应-布拉格衍射,布拉格衍射的显著特点是衍射光强分布不对称，而且只有零级和+1 或-1 级衍射光，如果恰当地选择参量，并且超声功率足够强，可以使入射光的能量几乎全部转移到零级或 1 级衍射极值方向上。,布拉格衍射声光相互作用区较长，必须考虑介质厚度的影响，视为体光栅衍射,布拉格衍射是在超声波频率较高，声光作用区较长，光线与超声波波面有一定角度斜入射时发生的。,声光调制,晶体的声光效应-布拉格衍射,布拉格衍射模型：,上式对任意x均成立，有：,对应零级衍射光,对应一级衍射光,声光调制,晶体的声光效应-布拉格衍射,布拉格型衍射只能出现零级和+1 级或-1 级的衍射光束。,以qi入射

17、的平面光波，由超声波面上各点产生同相位衍射光的条件:,布拉格衍射条件,布拉格衍射光强,V是光通过声光介质后，由折射率变化引起的附加相移。,通过适当地控制入射超声功率，可以将入射光功率全部转变为 1 级衍射光功率。,声光调制,晶体的声光调制,布拉格衍射效率：,通过控制超声功率即可实现对光场的调制,声光调制,晶体的声光偏转,衍射光与入射光间的偏转角度为：,声波频率变化对光束偏偏转的影响为：,原理：利用调频声波，改变偏转角大小而改变衍射光方向,一KDP晶体，长度l=3cm。在波长=0.5m时，no=1.51，ne=1.47，63=10.510-12m/v。（1）当入射光偏振方向沿x1时，求该晶体在电光相位延迟为=时，外加电压的大小？（2）当入射光偏振方向沿x1 时，求该晶体在电光相位延迟为=时，外加电压的大小？,试述如图所示的，由电光晶体和双折射晶体组合成的二进制数字式偏转器的工作原理,