光电测试技术4-6光调制

Laser in
(2)电—声换能器(又称超声发生器)
(3)吸声(或反射)装置(放置在超声源的对面)。
Laser out
吸声装置
(4)驱动电源 它用以产生调制电信号施 加于电—声换能器的两端电极上，驱动 声光调制器(换能器)工作。
图 1.3-11 声光调制器结构
三、磁致双折射 科顿—穆顿效应： 某些透明液体在磁场H作用下变为各向异性 性质类似于单轴晶体 光轴平行磁场
液晶是一种有机化合物，一般由棒状柱形对称的分子构成， 具有很强的电偶极矩和容易极化的化学团。对这种物质施加外场 (电、热、磁等)，液晶分子的排列方向和液晶分子的流动位置就 会发生变化，即改变液晶的物理状态。如对液晶施加电场，它的 光学性质就发生变化，这就是液晶的电光效应。
a. Kerr 效应（1875年） ----- 各向同性透明介质在电场下成为单轴双折射材料，光轴 平行于电场，平行于电场的光振动的折射率为 n ||，垂直于 电场的光振动的折射率为 n⊥
实 验
Pockels
n kE2 ---- 一次电光效应
所需电压比Kerr效应要低，同样可做成高速开关
1．3 声光调制
Laser
Laser
in
out
吸声装置
声波是一种弹性波(纵向应力波)，在介质中传播时， 它使介质产生相应的弹性形变，从而激起介质中各质点 沿声波的传播方向振动，引起介质的密度呈疏密相间的 交替变化，因此，介质的折射率也随着发生相应的周期 性变化。超声场作用的这部分如同一个光学的“相位光 栅”，该光栅间距(光栅常数)等于声波波长s。当光波 通过此介质时，就会产生光的衍射。其衍射光的强度、 频率、方向等都随着超声场的变化而变化。
C
ne no H 2
二次效应
H
磁场很强 才能观察到
一、法拉弟效应（磁致旋光效 应）
法拉弟发现， 许多物质在磁 场的作用下可 使穿过它的平 面偏振光的偏 振方向旋转 （在光的传播 方向上加上强 磁场时）
Ｈ
d
振动面旋转的角度 由经验公式给出：
rBd
式中 B 为静磁通量，d 为光所穿越的媒质
三、声光体调制器
1．声光体调制器的组成
声光体调制器是由声光介质、电—声换能器、吸声(或反射) 装置及驱动电源等所组成，如图1.3—11所示。
(1)声光介质，声光介质是声光互作用的 场所。当一束光通过变化的超声场时， 由于光和超声场的互作用，其出射光就 具有随时间而变化的各级衍射光，利用 衍射光的强度随超声波强度的变化而变 化的性质，就可以制成光强度调制器。
一类光学介质受到外电场作用时， 它的折射率将随着外电场变化， 介电系数和折射率都和方向有关， 在光学性质上变为各向异性。
电光效应(Induced optical effects)
各向同性物质
外界作用
各向异性物质
各向异性物质
外界作用
物质的 各向异性变化
1. 机械感应---光弹效应(Photoelasticity) 各向同性或异性材料在外力作用下可产生各向异性的变化，
二、声光相互作用的两种类型
按照声波频率的高低以及声波和光波作用长度的不 同，声光互作用可以分为拉曼—纳斯(Raman—Nath)衍 射和布拉格(Bragg)衍射两种类型。
当超声波频 率较低，光波平 行于声波面入射 (即垂直于声场传 播方向)，声光互 作用长度L较短时， 产生拉曼—纳斯 衍射。
1拉曼-纳斯衍射 当超声波频率较低，光波
光电测试技术
光调制器件
概念： 利用各种物理效应对光的 振幅，频率，相位，偏振状态和 传播方向等参量进行调制的器件， 又称为光控器件
对光的振幅进行调制也就是对光 强进行调制
性能稳定、调制度高，损耗小、相位均匀 有一定的带宽
工作基础：物质对外来作用产生的各种物理效应
电光效应 声光效应
磁光效应
电光器件
提高效率必须每单位长度的材料对光的吸收
要尽量小，而偏振面旋转的角度要尽量大，
为此，人们研制了许多奇特的铁磁材料，如
R.C.ＬeCraw 利用人工生长的钇铁石榴石 （YIG）磁性晶体，它的费尔德数可以达到
9.0 (对 1.3m 波长， 25 85 C温度范
围)。
利用法拉第效应测磁场 实验装置图
调制电压
液 体 中 的
效 应 装 置
Kerr盒 利用kerr效应制成的调制器 （内装电致双折射材料 有电光效应的液体有机化合物）
Kerr
b. Pockels 效应（1893年） 一些晶体（电光晶体），加上外电场后，单轴晶体成为双轴晶
体，双折射大小与电场强度得一次方成正比 Pockels 效应（线性电光效应）
2.布拉格（Bragg)衍射 (1)各向同性介质中的正常布拉格衍射。
当声波频率较高，声光作用长度L较大，
而且光束与声波波面间以一定的角度斜入射
时，光波在介质中要穿过多个声波面，故介质具有“体光栅”的 性质。当入射光与声波面间夹角满足一定条件时，介质内各级衍 射光会相互干涉，各高级次衍射光将互相抵消，只出现0级和+l级 (或-1级)(视入射光的方向而定)衍射光，即产生布拉格衍射(类似 于闪耀光栅），如图1. 3-5所示。因此，若能合理选择参数，超声 场足够强，可使入射光能量几乎全部转移到+1级(或-1级)衍射极 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 效应制成的声光器件可以获得较高的效率。
例如：玻璃或塑料
拉伸或压缩
各向异性
通常情况下，拉伸
成为正单轴材料；
压缩
成为负单轴材料；
干涉色的分布
受力分布
工程应用 应力分析 ------ 光弹力学
2. 电感应---电光效应(Electro-optical effect)
在一些各向同性材料上加上电场
各向异性
电致双折射, 双折射大小与电场强度有关
a. Kerr 效应（1875年） 折射率变化量与外电场强度平方成比例 各向同性透明介质在电场下成为单轴双折射
这样，为了获得更大的法拉弟效应，可以将放 在磁场中的法拉弟材料做成平行六面体，使通 光面对光线方向稍偏离垂直位置，并将两面镀 层反射膜，只留入口和出口，这样，若光束在 其间反射 N 次后出射，则有效旋光厚度为 N ，
则偏振面的旋转角度将提高 Nd 倍。
高反射膜
磁致旋光效应的旋转方向仅与磁场方向有关，而与光线传播 方向的正逆无关，这是磁致旋光现象与晶体的自然旋光现象不同 之处(即当光束往返通过自然旋光物质时，因旋转角相等方向相反 而相互抵消)。 但通过磁光介质时，只要磁场方向不变，旋转角 都朝一个方向增加，此现象表明磁致旋光效应是一个不可逆的光 学过程，因而可利用来制成光学隔离器或单通光闸等器件。
平行于声波面入射(即垂直于声 场传播方向)，声光互作用长度 L较短时，产生拉曼—纳斯衍射。 由于声速比光速小很多，故声 光介质可视为一个静止的平面 相位光栅。而且声波长λs比光波 长λ大得多，当光波平行通过介 质时，几乎不通过声波面，因 此只受到相位调制，即通过光 学稠密(折射率大)部分的பைடு நூலகம்
光波波阵面将推迟，而通过 光学疏松(折射串小)部分的 光波波阵面将超前，于是通 过声光介质的平面波波阵面 出现凸凹现象，变成一个折 皱曲面，如图1.3-3所示。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，这就是拉曼—纳 斯衍射。
光隔离器
单向闸门
P1
电极
P2
45º
光隔离 器
为了避免各界面的反射光对激光光源产生 干扰,可利用法拉第效应制成光隔离器,只允 许光从一个方向通过而不能从反方向通过
r 长度， 是比例因子，称费尔德常数，一种
特定媒质的费尔德常数随频率和温度而变。
实际例子
r 对于气体， 约为 102 ，固体和液体
为 105 的量级。
如对于1厘米长的 H 2O 样品，104 高斯的磁场，T 20 C ，此时
r 0.0131 振动面将转动 211' 。
显然，法拉弟效应可用来设计光调制器，欲
材料，光轴平行于电场，平行于电场的光振动的折 射率为 n || ，垂直于电场的光振动的折射率为 n⊥
液晶空间光调制器 (了解) 有些物质不是直接由固态变为液态，而是经过一个过渡相态，
这时，它一方面具有液体的流动性质，同时又有晶体的特性(如光 学、力学、热学的各向异性)，这种过渡相态称之为“液晶”。
起
起
偏
偏
器
器
恒定磁场
线偏振光从左面进入晶体，横向的直流磁场 使YIG晶体在此方向上引起磁化饱和，而总的 磁化强度矢量（由恒定磁场和线圈磁场所引起） 可以改变方向，它对晶体轴的倾斜角度正比于 线圈中的调制电流。 因为法拉弟旋转依赖于磁化强度的轴向分量， 所以线圈电源控制了 角，检偏器按照马吕定 律把这一偏振调制转换为振幅调制。也就是说， 要传递的信息作为调制电压加在线圈上，则出 射的激光束以振幅变化的形式携带着信息。