磁光调制和直接调制
5.5磁光调制制
与磁场强度H成正比。
由马吕斯定律：强度为I0的偏振光，通过检偏器后， 透射光的强度为：I=I0 cos2α 其中α为检偏器的偏振化方向与入射偏振光的偏 振化方向之间的夹角。
因此，只要用调制信号控制磁场强度的变化，就会使光
的偏振面发生相应的变化。但这里因加有恒定磁场 Hdc ，
(n左 n右 )l
左旋圆 偏振光
右旋椭圆 偏振光
迎着光线看（对着光的传播方向），光矢量顺时针转 的称右旋圆偏振光（或椭圆偏振光）；光矢量逆时针 转的称左旋圆偏振光（或椭圆偏振光）
二、磁光相互作用
当光波进入施加了磁场的介质时，其传播特性发生变化，这种 现象称为磁光效应。磁光效应包括法拉第旋光效应、克尔效应、 磁双折射效应等
• 实验测量糖溶液的旋光系数
三、磁光器件
1.磁光隔离器
利用磁致旋光只依赖于磁场方向，而与光传播方向无关 的性质制成。 • B // k， 产生法拉弟旋光效应
• 起偏与检偏夹角 45
B
45介质后（调整B或L）， 偏振面旋转 45 ，正好通过P2
•反向光，线偏振光通过磁光介质后（调整B或L）， 偏振面同方向旋转 450，与P1成900，不通过P1
0
二、磁光调制器 磁光调制是把欲传递的信息转换成光载波的强度(振幅)等参量
随时间的变化，与电光调制、声光调制所不同的是，磁光调制
是电信号先转换成与之对应的交变磁场，由磁光效应改变在介 质中传输的光波的偏振态，从而达到改变光强度等参量的目的。
磁光体调制器的组成如图所示。
工作物质钇铁石榴石(YIG或掺Ga的YIG棒)放在沿
但在很多晶体中，线偏振光沿光轴方向通过晶体后，偏
直接调制和空间光调制
1.6.3 几种典型的空间光调制器
1、泡克尔斯读出光调制器（PROM） 为了满足实时处理的要求，陆续出现了多种结构
原理的器件，其中以硅酸铋（简写为BSO）晶体材 料制成的空间光调制器的倒了较快的发展。BSO不 但具有光电效应，而且还具有线性电光效应，半波 电压较低，BSO-PROM空间光调制器的结构示意图如 图：
4
1.5.2 半导体光源的模拟调制
无论是使用LD或LED作为光源，都要施加偏置电流Ib， 使工作点处于LD后LED的线性工作区。调制线性好坏与 调制深度m有关：
LD： m=
调制电流幅度
偏置电流-阈值电流
LED: m=
调制电流幅度 偏置电流
5
由这两个图可以看出，m大时，调制信号幅度大，但 线性差；m小时。线性好，但调制幅度小，因此要选 择合适的m值。
1.5.1 半导体激光器（LD）直接调制原理
由半导体的激光输出特性图可以看出：
半导体激光器有一个阈值电流It，到驱动电流小于It时，激 光器基本上不发光或只发出微弱的荧光；当驱动电流大于It 时，开始发射激光。
其光谱特性图如图：
输 出 功 率
高于阈值
相
对
强
低于阈值
度Leabharlann 驱动电流波长1
若把调制信号加到激光器上，就可以直接改变激光 器输出光信号的强度。 半导体激光器调制原理示意图：
13
（2）非相干光—相干光转换 在实时处理系统中，可以把写入的非相干光信号转换
成输出的相干光信号。因为实时处理系统的对象往往是 一个实际物体，一般的光学系统只能使它形成一个非相 干图像，但在处理中却要求一个相干图像，以便进行频 域处理或进行基于光干涉的处理等。
IW
磁光调制,直接调制
• 然后，再用脉冲编码数字信号对光源进行强度调制。
•数字调制方法优点：
1、在信道上传输过程中引进的噪声和失真，可采用间 接中继器的方式去掉，故抗干扰能力强； 2、其次对数字光纤通信系统的线性要求不高，可充分 利用光源（LD）的发光功率； 3、这种调制方法与现有的数字化设备相兼容。 由于数字调制的这些突出优点，所以其有很好应用的前景。
• 当输入的电流大到使M沿z方向饱和时，则转换效率达到
最大。若器件的T=2.5μ m，蛇形线路中输入0.5A直流电
流，磁光互作用长度L=6mm，则可将输入的TM模 （λ =1.152μ m）52%的功率转换到TE模。磁光波导模式
转换调制器的输出耦合器是一个具有高双折射的金红石
棱镜。
• 使输出的TE和TM模分成20°11′张角的两条光束，输入
光在外加磁场作用下的介质中传播时，其偏振方向发生旋 转，其旋转角度为θ的大小与沿光束方向的磁场强度H和 光在介质中传播的长度L成正比，即
VHL
旋光现象： 可解释为外加磁场使介质分子的磁矩定向排列，当一 束线偏振光通过介质时，分解为两个频率相同、初相位相 同的两个圆偏振光，其中一个圆偏振光的电矢量是顺时针 方向旋转，称为右旋圆偏光，而另一个圆偏振光是逆时针 方向旋转的，称为左旋圆偏光。 这两个圆偏振光无相互作用地以两种略有不同的速度 vR和vL传播，它们通过厚度为L的介质之后产生的相位延 迟。
5.1.3.2 磁光调制器
磁光调制是将电信号先转换成与之对应的交变磁场,由 磁光效应改变在介质中传输的光波的偏转态,从而达到改 变光强等参数的目的。
z
入射光 起偏器 YIG棒 调制信号 图5-14 磁光调制示意图 检偏器
Hdc
45 z
为了获得线性调制，在垂直于光传播的方向上加一恒定磁 场Hdc，其强度足以使晶体饱和磁化。
磁光调制实验报告 -回复
磁光调制实验报告-回复通过建立磁光调制实验系统，掌握磁光效应的原理和应用，并实现对载波的二进制调制、解调和调频过程的观测。
实验原理：磁光效应是指介质中的光在磁场作用下偏振状态的旋转或偏振面的移动。
在磁光效应中，光的振动方向和介质中的磁场方向垂直且相邻两个振动方向的偏转角之间存在比例关系。
在实验中，我们采用了单频光源结合锁相放大器的方式对载波进行调制。
首先，将激光光源通过分束器分为两束，分别经过两个图像旋转器使两束光分别旋转α和−α角，接着将这两束光的振动方向合成一束，指向振荡器的P极板，进而进入样品。
此时，当样品中存在磁场时，光的偏振方向会发生改变。
最后，通过锁相放大器对输出信号进行检测和解调，得到载波的调制信息。
实验装置:实验的主要装置包括激光光源、分束器、图像旋转器、P极板、样品室、锁相放大器等。
实验步骤：1、首先将实验中使用的磁光介质（GdIG）放入样品室中，设置样品温度。
2、打开激光光源和分束器。
将激光光源通过分束器分为两束，分别经过两个图像旋转器使两束光分别旋转α和−α角，合成一束射向P极板的偏振光。
3、打开样品室，并将振荡器调至合适频率并置于样品室中间。
4、给样品加上磁场，调节样品室压强，控制样品温度，使样品处于稳定的工作状态。
5、开启锁相放大器，调节放大器的增益，将输出信号进行检测和解调，得到载波的调制信息，观测得到的曲线图像。
实验结果：实验中得到了不同频率射到GdIG中的激光光的偏振角度，以及载波的调制信息。
调制信息的幅度和相位与磁场的存在和强度有关，从实验结果中可以得到磁场的强度大小和方向对载波调制效果的影响。
实验结论：本实验通过建立磁光调制实验系统，掌握了磁光效应的原理和应用，实现了对载波的二进制调制、解调和调频过程的观测。
实验结果表明，磁场强度的大小和方向对载波调制效果具有明显的影响，为后续磁光效应在通讯和信息处理领域的应用提供了实验基础和方法。
光信息专业实验报告：光调制与光通信模拟系统实验 (2)
光信息专业实验报告：光调制与光通信模拟系统实验一、实验目的1. 学习电光调制、声光调制、磁光调制的机制及运用。
2. 了解光通信系统的结构。
二、光调制基本原理常用的光调制方式主要有电光调制、声光调制和磁光调制，分别是利用电光效应、声光效应和磁光效应来实现对光的调制的。
1. 电光调制器件工作原理光学介质的电光效应是指，当介质受到外电场作用时，其折射率将随外电场变化，介电系数和折射率都与方向有关，介质的光学特性由原来的各向同性变为各向异性。
目前已发现两种电光效应，一种是泡克耳斯（Pockels ）效应，即折射率的变化量与外电场强度的一次方成比例；另一种是克尔（Kerr ）效应，即折射率的变化量与外电场强度的二次方成比例。
利用泡克耳斯效应制成的调制器成为泡克耳斯盒，其中的光学介质为非中心对称的压电晶体。
利用克尔效应制成的调制器称为克尔盒，其中的光学介质为具有电光效应的液体有机化合物。
泡克耳斯盒有纵向调制器和横向调制器两种。
我们实验中使用的是电光晶体为DKDP （磷酸二氘钾）的纵向调制泡克耳斯盒。
不给泡克尔斯盒加电压时，盒中的介质是透明的，各向同性的非偏振光经过起偏器P 后变为振动方向平行于P 光轴的平面偏振光。
通过泡克耳斯盒时，其偏振方向不变，到达检偏器Q 时，因光的振动方向垂直于Q 光轴而被阻挡，所以Q 没有光输出；给泡克耳斯盒加电压时，由于电光效应，盒中介质将具有单轴晶体的光学特性，光轴与电场方向平行。
此时，通过泡克耳斯盒的平面偏振光的振动方向将被改变，从而产生了与Q 光轴方向平行的分量，即Q 有光输出。
Q 输出光的强弱与盒中介质的性质、几何尺寸、外加电压大小有关。
对于结构已确定的泡耳克斯盒来说，若外加电压是周期性变化的，则Q 的光输出也是周期性变化的，由此实现对光的调制。
图1 各个量的方位关系图图1表示的是几个偏振量之间的方位关系，光的传播方向平行于z 轴，M 和N 分别为起偏器P 和检偏器Q 的光轴方向，彼此垂直；α为M 与y 轴的夹角，β为N 与y 轴的夹角，2/πβα=+；外电场使克尔盒中电光介质产生的光轴方向平行于x 轴；o 光垂直于xz 平面，e 光在xz 平面内。
磁光调制实验
1．李鸿章1872年在上海创办轮船招商局，“前10年盈和，成
为长江上重要商局，招商局和英商太古、怡和三家呈鼎立
之势”。这说明该企业的创办
()
A．打破了外商对中国航运业的垄断
B．阻止了外国对中国的经济侵略
C．标志着中国近代化的起步
D．使李鸿章转变为民族资本家
解析：李鸿章是地主阶级的代表，并未转化为民族资本家； 洋务运动标志着中国近代化的开端，但不是具体以某个企业 的创办为标志；洋务运动中民用企业的创办在一定程度上抵 制了列强的经济侵略，但是并未能阻止其侵略。故B、C、D 三项表述都有错误。 答案：A
11
主控单元后面板 注意：“调制输出”输出的是交流信号 “励磁输出”输出的是直流流信号 两接口不要接反，否则会烧坏线圈
12
实验内容及测试方法
调出磁光调制倍频现象 测出直流磁光调制θ∽I曲线
方法一：消光法：直接消光法测量。 方法二：交流倍频法 采用在交流磁光调制下出现的标准倍频现象 做为基准，通过示波器波形间接测量消光位 置。
交流磁光调制0siniit??t?sin0bb?t???sin0???????????tiiii???????sin2cos122cos12cos00020????????6??为起偏器pp与检偏器aa主截面之间的夹角ii00为光强的幅值当线圈通以交流电信号设调制线圈产生的磁场为则介质相应地会产生旋转角设起偏器与检偏器的夹角为??初始入射光强为则从检偏器输出的光强为
消光法：起、检偏器透光轴垂直时，消光；加直流磁光调 制，光偏转一角度，则消光现象消失；再转动检偏器出现 消光，此时，检偏器转过的角度就是磁光调制使光偏振面 旋转的角度。
交流倍频法测直流磁光调制：以交流磁光调制出现的标准 倍频现象做为基准，检偏器只有在直流调制消光位置时， 才出现倍频信号（此倍频信号可以通过示波器观察，灵敏 度高于光强），由此可用示波器上出现的倍频信号来精确 确定直流调制消光位置。通过调节检偏器，重复出现的标 准倍频现象来判断磁致旋转角变化角度。
磁光调制实验
实验七 磁光调制实验一、 实验背景介绍（一）概述磁光调制是利用某些晶体的磁光效应，对光信号进行调制，使光信号的幅度随着调制信号的变化而变化，实现把调制信号加载到光信号上。
磁光调制在光电检测，光通讯，光显示等领域有着广泛的应用。
（二）磁光效应原理 磁光效应置于外磁场中的物体，在光与外磁场作用下，其光学特性（如吸光特性，折射率等）发生变化的现象。
法拉第效应 1845年由M.法拉第发现。
当线偏振光（见光的偏振）在介质中传播时，若在平行于光的传播方向上加一强磁场，则光振动方向将发生偏转，偏转角度θ与磁感应强度B 和光穿越介质的长度l 的乘积成正比，即V B L θ=⋅⋅，比例系数V 称为费尔德常数，与介质性质及光波频率有关。
偏转方向取决于介质性质和磁场方向。
2 直流磁光调制当线偏振光平行于外磁场入射磁光介质的表面时，偏振光的光强I 可以分解成如图2所示的左旋圆偏振光I L 和右旋圆偏振光I R ，对应的电矢量为E L 和E R ，两者旋转方向相反。
在磁场作用下，处于磁场中的介质呈现各向异性，由于介质对两者具有不同的折射率n L 和n R ，E L 的传播速度与E R 不同，当它们穿过厚度为L 的介质后会产生相位差，E L 与E R 旋转角度为θL 与θR ，合成电矢量则旋转一个角度θ。
2L L n L πθλ= y=Acos(wt+θ) 初相位的改变 2R R n L πθλ=因θθθθ+=-R L1()()()22L R L R R L Ln n L n n cπωθθθλ=-=-=- （2）其中n R 为在磁场作用下，右旋圆偏振光通过介质的折射率，n L 为左旋圆偏振光通过介质的折射率，c 为真空中的光速。
如折射率差()R L n n -正比于磁场强度B ，即可得（1）式，并由θ值与测得的B 与L 求出维尔德常数V图2 入射光偏振面的旋转运动3 交流磁光调制二、磁光调制实验（一）实验要求1、了解磁光调制实验的原理和方法2、了解磁光调制器用于光通讯的基本原理3、掌握磁光调制器的主要参数的测试方法 （二）实验内容1、测定旋光角与激励电流的关系2、出来晶体的半波电压和工作电压3、观察输出光强极小时，产生的倍频信号4、电光调制实现光通讯演示5、测试电光晶体的消光比和透射率 （三）实验步骤1、实验前的准备（1）按图组成实验系统，首先在光具座上放置好激光器和电接受器（2）设置实验仪（3）光路校准（4）插入起偏器，调节起偏器的高度和转角，使激光束垂直入射镜面，旋转起偏器，使透射光强最大。
磁光调制实验报告
磁光调制实验报告课程：_____光电子实验_____**：：专业：信息工程大学工程管理学院磁光调制实验报告一、实验目的1 观察磁光调制现象2 测量调制深度与调制角幅度3测定旋光角与外加磁场的关系4 测量直流磁场对磁光介质的影响5 磁光调制与光通讯实验演示二、实验原理1 磁光效应当平面偏振光穿透*种介质时，假设在沿平行于光的传播方向施加一磁场，光波的偏振面会发生旋转，实验说明其旋转角θ正比于外加的磁场强度B，这种现象称为法拉第〔Faraday〕效应，也称磁致旋光效应，简称磁光效应，即：θ (1)=vlB式中l为光波在介质中的路径，ν为表征磁致旋光效应特征的比例系数，称为维尔德〔Verdet〕常数。
由于磁致旋光的偏振方向会使反射光引起的旋角加倍，而与光的传播方向无关，利用这一特性在激光技术中可制成具有光调制、光开关、光隔离、光偏转等功能性磁光器件，其中磁光调制为其最典型的一种。
图1 磁光效应示意图如图1所示，在磁光介质的外围加一个励磁线圈就构成根本的磁光调制器件。
2 直流磁光调制当线偏振光平行于外磁场入射磁光介质的外表时，偏振光的光强I可以分解成如图2所示的左旋圆偏振光I L和右旋圆偏振光I R〔两者旋转方向相反〕。
由于介质对两者具有不同的折射率n L和n R，当它们穿过厚度为l的介质后分别产生不同的相位差，表达在角位移上有：式中λ为光波波长 因θθθθ+=-R L()()l n n R L R L ⨯-=-=λπθθθ221( 2 ) 如折射率差()R L n n -正比于磁场强度B ，即可得〔1〕式，并由θ值与测得的B 与l 求出威德尔常数υ。
3 交流磁光调制用一交流电信号对励磁线圈进展鼓励，使其对介质产生一交变磁场，就组成了交流〔信号〕磁光调制器〔此时的励磁线圈称为调制线圈〕，在线圈未通电流并且不计光损耗的情况下，设起偏器P 的线偏振光振幅为A 0，则A 0可分解为A 0 cos α及A 0 sin α两垂直分量，其中只有平行于P 平面的A 0 cos α分量才能通过检偏器，故有输出光强αα2020cos )cos (I A I ==〔马吕斯定律〕其中200A I =为其振幅。
光电子技术题库
1: 色温是指在规定的两波长处，具有与热辐射光源的辐射比率相同的黑体的温度。
1．自发跃迁是指处于高能级的一个原子自发的向低能级跃迁并发出一个光子的过程。
受激跃迁是指处于高能级态的一个原子在一定的辐射场的作用下，跃迁到低能级态并辐射出一个与入射光子相同的光子的过程。
2．按照声波频率的高低以及声波和光波作用的长度不同，声光相互作用可以分为：拉曼纳斯衍射和布喇格衍射。
3．磁光效应是指外加磁场作用引起材料光学各向异性的现象。
法拉第磁光效应的规律：a:对于给定的介质，光振动面的旋转角与样品的长度外加的磁感应强度成正比。
B:光的传播方向反转时，法拉第旋转的左右互换。
4．光束调制按其调制的性质可分为：调幅，调频，调相，强度调制。
要实现脉冲编码调制，必须进行三个过程：抽样，量化，编码。
5．光热效应是指探测元件吸收光辐射能量后，并不直接引起内部电子状态的变化，而是把吸收的光能变为晶格的热运动能量引起探测元件温度上升，温度上升的结果又使探测元件电学性质或其他物理性质发生变化。
6．本征型光敏电阻一般在室温下工作，适用于可见光和近红外辐射探测，非本征型光敏电阻通常在低温条件下工作，常用于中远红外辐射探测。
7．CCD的基本功能为电荷存储和电荷转移。
CCD按结构可分为线阵CCD和面阵CCD。
8．LCD可分为两大类：溶致液晶和热致液晶。
作为显示技术应用的LCD是热致液晶。
9．附加：光栅传感器反射的波长叫布喇格波长。
10．受激辐射下光谱宽度的类型分为均匀展宽和非均匀展宽，其中均匀展宽主要有自然展宽，碰撞展宽，热振动展宽，非均匀展宽有多普勒展宽，残余应力展宽。
11．常见的固体激光器有红宝石，钕，钛宝石，气体激光器主要有氦氖和CO2. 12．电致折射率变化是指晶体介质的介电系数与晶体中的电荷分布有关，当晶体被施加电场后，将引起束缚电荷的重新分布并导致离子晶格的微小变形，从而引起介电系数的变化，并最终导致晶体折射率的变化。
13．光纤色散的主要危害是使脉冲信号展宽，限制了光纤的带宽或传输容量。
磁光调制
半导体激光器的输出特性
半导体激光器的光谱特性
为使调制不产生畸变，需要做到：
1、输出功率与电流呈良好的线性关系。
2、采用条宽较窄结构的激光器。
3、直接调制的半导体激光器的能力受到脉冲宽 度与频宽的限制，故在高频调制下宜采用量子阱 器或其他外调制器
2．半导体发光二极管(LED)的调制特性
【LED的工作原理】
【调制过程】
模拟信号 抽样 量化 编码 实现电-光的调制
参考文献： 1．《激光原理》，陈钰清主编，国防工业 出版社，2003年1月 2．《激光技术》，蓝信钜，等编著，科学 出版社，2000年8月
直接调制原理图
2.1 直接调制 1、半导体激光器(LD)的调制特性
【LD的工作原理】
半导体激光器是向半导体PN结注入电流， 实现粒子数反转分布，产生受激辐射，再利 用谐振腔的正反馈，实现光放大而产生激光 振荡的。
(a)电原理图 (b)调制特性曲线
半导体激光器调制
• 半导体激光器的输出特性及光谱特性
线性磁光调制示意图
直接调制的原理 直接调制是指加载的调制信号在激光震荡的过程 中进行，以调制信号的规律去改变振荡的参数， 从而达到改变激光输出特性实现调制的目的直接 调制只适用于半导体激光器和发光二极管，这是 因为发光二极管和半导体激光器基本上与注入电 流成正比，而且电流的变化转换为光频调制也呈 线性，所以可以通过改变注入电流来实现光强度 调制。 例如，利用调制讯号直接控制激光器的泵浦 电源来调制激光器的输出参数（一般激光强 度），一般在半导体激光器中应用。
磁光调制
（原理及直接调制）
09级物理学一班 高菲
磁光效应：光通过磁化的物体时，其传播特 性发生变化。 • 法拉第效应 法拉第在1845年发现：当一束平面偏振光 通过磁场作用下的某些物质时，其偏振面 受到正比于外加磁场平行于传播方向分量 的作用而发生偏转。这种现象称为法拉第 效应。 • 旋光现象 当线偏振光沿光轴方向通过某些天然介质 时，偏振面旋转的现象称为天然旋光，简 称旋光现象。
光源调制原理
光源调制原理第四节光源调制原理要实现光纤通信，⾸先要解决如何将光信号加载到光源的发射光束上，即需要进⾏光调制。
调制后的光波经过光纤信道送⾄接收端，由光接收机鉴别出它的变化再现出原来的信息，这个过程称为光解调。
调制和解调适光纤通信系统的重要内容。
光源的两种调制⽅式*************************************************************************根据调制与光源的关系，光调制可分为直接调制和间接调制两⼤类。
⽅法仅适⽤于半导体光源（LD和LED），这种⽅法是把要传送的信息转变为电流信号注⼊LD或LED，从⽽获得相应的光信号，所以是采⽤电源调制⽅法。
直接调制后的光波电场振幅的平⽅⽐例与调制信号，使⼀种光强度调制（IM）的⽅法。
直接调制间接调制：是利⽤晶体电光效应、磁光效应、声光效应等性质来实现对激光辐射的调制，这种调制⽅式既适⽤于半导体激光器，也适应于其他类型的激光器。
间接调制最常⽤的是外调制的⽅法，即在激光形成以后加载调制信号。
其具体⽅法是在激光器谐振腔外的光路上放置调制器，在调制器上加电压，使调制器的某些物理特性发⽣相应的变化，当激光器通过它时，得到调制。
对某些类型的激光器，间接调制也可以采⽤内调制的⽅法，即⽤集成光学的⽅法把激光器和调制器集成在⼀起，⽤调制信号控制调制元件的物理性质，从⽽改变激光输出特性以实现其调制。
间接调制光源的直接调制原理***************************************************************************直接调制可分为模拟信号调制和数字信号调制。
模拟信号调制就是将连续变化的模拟信号（如话⾳、视频等）叠加在直流偏置的⼯作点上对光源进⾏调制。
（a）LED模拟调制（b）LD模拟调制数字调制属于脉冲调制，即调制电流为⼆进制脉冲形式，利⽤输出光功率的有（“1”码）、⽆（“0”码）状态来传递信息。
光电子技术题目与答案
1) 色温是指在规定两波长处具有与热辐射光源的辐射比率相同的黑体的温度2) 自发跃迁是指处于高能级的粒子自发地跃迁到低能级上。
受激跃迁是指由于外界辐射场作用而产生的粒子能级间的跃迁。
3) 受激辐射下光谱线展宽的类型分为均匀展宽和非均匀展宽，其中均匀展宽有自然展宽、碰撞展宽、热振动展宽，非均匀展宽有多普勒展宽、残余应力展宽。
4) 常见的固体激光器有红宝石激光器、钕激光器、钛宝石激光器（写出两种），常见的气体激光器有He-Ne激光器、Ar激光器、CO2激光器（写出两种）。
5) 光是一种以光速运动的光子流，光子和其它基本粒子一样，具有能量、动量和质量；其静止质量为零。
6) 激光与普通光源相比具有如下明显的特点：方向性好、单色性好、相干性好、强度大7) 简述光子的基本特性。
答：1、光子能量E与光波频率v对应：E=hv2、光子具有运动质量m，m=E/c2=hv/c23、光子的动量与单色平面波矢对应：P=ħk4、光子具有两种可能的独立偏振状态，对应于光波场的两个独立偏振方向5、光子具有自旋性，并且自旋量子数为整数1)声波在声光晶体中传播会引起晶体中的质点按声波规律在平衡位置振动，按照声波频率的高低以及声波和光波作用的长度不同，声光相互作用可以分为拉曼-纳斯衍射，布喇格衍射两种类型。
2) 磁光效应是指外加磁场作用所引起的材料光学各项异性，法拉第磁光效应的规律（1）对于给定的介质，光振动面的旋转角与样品的长度和外加的磁感应强度成正比（2）光的传播方向反转时，法拉第旋转的左右方向互换。
3) 电致折射率变化是指晶体介质的介电系数与晶体中的电荷分布有关，当晶体被施加电场后，将引起束缚电荷的重新分布，并导致离子晶格的微小型变，从而引起介电系数的变化，并最终导致晶体折射率变化的现象。
4) 光纤色散的主要危害是使脉冲信号展宽，限制了光纤的宽带或传输容量，多模光纤的色散主要有模色散、材料色散、波导色散1)光束调制按其调制的性质可分为调幅，调频，调相，强度调制。
磁光调制简介和应用举例
(7)
又由 nR nL 正比于磁场强度，便可以得到公式(1)。 若 nR nL ，有 θ F 0 ，表示右旋；若 nR nL ，有 θ F 0 ，则表示左旋。 应用举例 [5] 磁光调制法测量玻璃内应力 玻璃存在内应力时，加工好的光学零件表面会随时间而变形，严重影响成像 质量。应力分布不均匀还会引起光学均匀性质量降低，造成折射率分布不一致， 从而使经过光学玻璃的波面发生变形,导致像质变坏。 带有准直透镜的激光光源发出的光束通过起偏器获得线偏振光， 线偏振光通 过外加正弦交变调制磁场的磁光玻璃时， 其偏振方向发生了偏转角为 的偏转摆 动，成为调制偏振光，其中磁场方向和光轴一致；调制信号光经过待测样品、旋 光器，到达检偏器和光电探测器。
图 3.测量原理图
利用磁光玻璃的磁致旋光效应，对信号光束进行正弦交变的磁光调制，将直 接测量光强信号改为测量频率信号,提高了测量精准度。 通过调节外加电流的大小来控制磁旋光器旋转的信号光束偏振方向的角度， 简化了测量操作，有助于提高系统的可靠性。 对玻璃内应力方向的测量准确度为 5'' ，对 应力双折射的测量准确度为
R
2
nR l
(5)
L , L 分别为左旋右旋圆偏振光的相位；
nL , nR 分别为左旋右旋圆偏振光在介质中的折射率；
为真空中的波长。
由线偏振光的合成可知：
R F L F
即：
(6)
F ( R L )
1 2
(n n )l R L
(2)
V ( ) 是费尔德(Verdet)常数是表征材料磁光性能的一个常量,由材料本身
性质和工作波长决定
V ( )
为入射波长；
光学信号的调制
2)光栅调制
mcos(2Px)
x＝NP
莫尔条纹图案
应用举例：光栅线位移传感器
主光栅--定光栅
刻线密度 --- 测量精度 ( 10、 25、50、100、125线/mm )
指示光栅--动光栅
2)光栅调制
测量范围： 100mm-3000mm 分 辨 率： 10、 5、 1、 0.5、 0.1 µm
目标小张角
b. 用调制盘进行空间滤波
空间滤波分析：
初升太阳 调制盘
小张角目标 调制图
大张角背景 调制图
c. 用调制盘确定目标方位
目标方位： 目标M' （ρ΄，θ'） 像点M （ρ，θ）
c. 用调制盘确定目标方位
目标方位： 像点M（ρ，θ）
调制信号幅度 －－ ρ
比较目标像在A、B位置 输出初相位
单一频率调制信号
调幅波频谱：
多个频率调制信号
振幅调制应用实例
振幅调制应用实例
2.频率调制(FM)
信息 载波
(a)
频率调制：载波的频率变化－－信息
(b)
( t ) 0 m s ( i [ V ( n t ) t ) ]
[V (t)]0 V (t)当 V(t) 1 0
t
(t)0m s in [0 t
－－F为被测参量
迈克尔逊干涉仪 （Michelson）
光学干涉仪
（空气光程）
V (t)d t]
0
V (t)co ts ()
( t)0m s in [0 t m fs in (t) ]
mf
f
F
--频率调制指数 mf >1 宽带调频 mf <<1窄带调频
光调制
光调制光调制就是将一个携带信息的信号叠加到载波光波上,完成这一过程的器件称为调制器。
调制器能使载波光波的参数随外加信号变化而变化，这些参数包括光波的振幅、位相、频率、偏振、波长等。
承载信息的调制光波在光纤中传输，再由光探测器系统解调，然后检测出所需要的信息。
光调制技术已广泛应用于光通信、测距、光学信息处理、光存储和显示等方面。
一、光调制的方法（1）直接调制法：外加信号直接控制激光器的泵浦源，如控制半导体激光器的注入电流，从而使激光的某些参量得到调制。
根据调制信号的类型，直接调制又可以分为模拟调制和数字调制两种。
a 、半导体激光器（LD ）直接调制半导体激光器处于连续调制工作状态时，无论有无调制信号，由于有直流偏置，所 以功耗较大，甚至引起温升，会影响或破坏器件的正常工作。
b 、半导体发光二极管（LED ）的调制半导体发光二极管由于不是阈值器件，它的输出光功率不像半导体激光器那样会随注入电流的变化而发生突变，因此，LED 的P －I 特性曲线的线性比较好。
c 、半导体光源的模拟调制无论是使用 LD 或LED 作光源，其调制线性好坏与调制深度m 有关：偏置电流调制电流幅度阈值电流偏置电流调制电流幅度=-=m m :L E D :LD d 、半导体光源的脉冲编码数字调制数字调制是用二进制数字信号“1”和“0”码对光源发出的光波进行调制。
而数字信号大都采用脉冲编码调制，即先将连续的模拟信号通过“抽样”变成一组调幅的脉冲序列，再经过“量化”和“编码”过程，形成一组等幅度、等宽度的矩形脉冲作为“码元”，结果将连续的模拟信号变成了脉冲编码数字信号。
然后，再用脉冲编码数字信号对光源进行强度调制。
（2）腔内调制：腔内调制是通过改变激光器的参数如增益、谐振腔Q 值或光程等实现的，主要用于Q开关、腔测空、锁模等技术。
腔内调制又分为被动式与主动式两类。
①被动调制这种调制利用某些吸收波长与激光波长一致的可饱和吸收体(如染料)的非线性吸收特性。
光电子技术第2章 光辐射的调制
一、电光效应
线性电光效应 （Pockels）
nE
介质原本是单轴晶体。
2
nE 二次电光效应 （Kerr） 介质原本是各向同性晶体。
电光调制基于线性电光效应。
1. 63的纵向电光效应
KDP负单轴晶体
Z切
光传播方向与 电场方向一致
强电场E//Z轴,KDP变为双轴晶体； 线偏振光沿Z轴入射，分解成X、Y 方向上振幅相同的两个线偏振光。
3 0 63 3 0 63
半波电压 U / 2 :造成光程差 / 2 U2
3 2n0 63
2. 63 的横向电光效应
光传播方向与 电场方向垂直
对KDP晶体采用45°-Z切。强电场E//Z轴,KDP 变为双轴晶体。入射光沿X轴方向进入晶体， 其偏振方向与Z、Y成45°，在晶体中分解为Z、 Y方向两个振幅相同的线偏振光。
3.电光晶体材料
用于线性电光效应的电光晶体，除要求电光 效应强以外，还需综合考虑： 对使用的波段要有较高的透过率；光学均匀 性好、耐压高；对光波和调制波的损耗小； 折射率随温度的变化较小； 化学性质稳定，易于获得大尺寸晶体等。
、
在可见和近红外区主要有KDP类晶体、 LiTaO3、LiNbO3、KTN等。 在中红外区有GaAs、Cucl、CdTe等。
2
则通过P2的光强： 二者有固定相位差π+δ，
I 2 A A 2 Az 2 Ay 2 cos( ) 2 A 2 A cos
2 z2 2 y2 2 y2 2 y2
A 2 (1 cos ) I1 sin 2 2
2 1
式中，
2
U
I 2 / I1 ~ U
第二章 光辐射的调制
第4讲 声光磁光及其它调制
3.3.2 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。
n(x) n0 n sin(ks x)
垂直入射情况
式中no为平均折射率； n为声致折射率变化。由于介质折
射率发生了周期性的变化，所以会对入射光波的相位进行调
制。如果考察的是一平面光波垂直入射的情况，它在声光介
质的前表面y＝-L／2处入射，入射光波为
Ein A exp(ict)
则在 y＝L／2处出射的光波不再是单色平面波，而是一个被调 制了的光波，其等相面是由函数n(x)决定的折皱曲面，该出射 波阵面可分成若干个子波源，则在很远的P点处总的衍射光场 强是所有子波源贡献的求和
1 拉曼-纳斯衍射
声
当超声波频率较低，光波平行于声波面入射
波x
(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
入射 光
质时，几乎不通过声波面，因此只受到相位调制， 面 光
G 4 (为布拉格衍射区） G （为拉曼 纳斯衍射区）
3.3.3 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。
34磁光调制
例如：法拉第旋转器的应用
VHL
1. 磁光体调制器
z
入射光 YIG棒 起偏器 调制信号
Hdc
45 z
检偏器
磁光调制示意图
为了获得线性调制，在垂直于光传播的方向上加一恒定 磁场Hdc，其强度足以使晶体饱和磁化。 工作时，高频信号电流通过线圈就会感生出平行于光传 播方向的磁场，入射光通过YIG晶体时，由于法拉第旋转效 应，其偏振面发生旋转，旋转角正比于磁场强度H。
蛇形磁场变化的周期为
2 T Δ
：TE模和TM模传播常数之差。 可将输入TM模的（=1.52m）52%的功率转换到 TE模上去。磁光波导模式转换调制器的输出耦合器一般 使用具有高双折射的金红石棱镜，使输出的TE和TM模 分成两条光束。
3.5直接调制
直接调制是把要传递的信息转 变为电流信号注入半导体光源（激 光二极管LD或半导体发光二极管 LED），从而获得调制光信号。由电信号 于它是在光源内部进行的，因此又 输入 称为内调制。
H t 0 sin H L s 0 H dc
s：是单位长度饱和法拉第旋转角；
H t ：是调制磁场 0sin H
如果再通过检偏器，就可以获得一定强度变化的调制光。
2. 磁光波导调制器
x
TM TE TM
y
z
磁光波导模式转换调制器
在磁性膜表面用光刻方法制作一条金属蛇形线路，当电 流通过蛇形线路时，蛇形线路中某一条通道中的电流沿y方 向，则相邻通道中的电流沿y方向，该电流可产生z、z方 向交替变化的磁场，磁性薄膜内便可出现沿z、z方向交替 饱和磁化。
半导体发光二极管是如何发光的？
16 14 12 Po 10 ut(mW) 8 6 4 2 0
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• 当工作时，高频信号电流通过线圈就会感生出平行于光传 播方向的磁场，入射光通过 YIG 晶体时，由于法拉第旋转 效应，其偏振面发生旋转，旋转角与磁场强度H成正比。
• 只要用调制信号控制磁场强度的变化，就会使光的偏振面 发生相应的变化。
• 这里因加有恒定磁场Hdc ，且与通光方向垂直，故旋转角
与Hdc成反比，于是
• 空间光调制器可以形成随xy坐标变化的振幅(或强度)透过
率
y
➢ A(x,y)＝A0T(x,y)
• 或者是形成随坐标变化的相位分布
x
➢ A(x,y)＝A0Texp[iθ(x,y)]
• 或者是形成随坐标变化的不同的散射状态。
–a
–12
• 空间光调制器（SLM，Spatial Light Modulator）是一种 对光波的空间分布进行调制的器件
• 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
–a
–6
3.4.2 磁光调制器
• 把要传递的信息转换成光载波的强度(振幅)等参量随时间 的变化
• 过程（与电光调制、声光调制有所不同）
➢ 磁光调制是电信号先转换成与之对应的交变磁场，由磁光效应改 变在介质中传输的光波的偏振态，从而达到改变光强度等参量的 目的
➢ 含有许多独立单元，在空间排列成一维或二维阵列 ➢ 每个单元都可以独立地接受光信号或电信号的控制，并按此信号改
变自身的光学性质(透过率、反射率、折射率等)，从而对通过它的 光波进行调制
• 控制这些单元光学性质的信号称为“写入信号”，写入信号 可以是光信号也可以是电信号
• 入射到器件并被调制的光波称为“读出光”；
• 经过空间光调制器后的输出光波称为“输出光”。
• 可实现实时的二维并行处理–。a
–13
液晶空间光调制器
• 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”。
• 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。
振光无相互作用地以两种略有不同的速度 +＝c/nR 和 -＝c/nL传
播，它们通过厚度为 L 的介质之后产生的相位延迟分别为:
两圆偏振光间存在一相位差
122 (n R n L )L
–a
–4
• 当它们通过介质之后，又合成为一线偏振 光，其偏振方向相对于入射光旋转了一个 角度。
A A’
• 图中ZA表示入射介质的线偏振光的振动 方向，将振幅A分解为左旋和右旋两矢量 AL和AR ，假设介质的长度L使右旋矢量 AR刚转回到原来的位置，此时左旋光矢量 (由于vL≠vR )转到A’L，于是合成的线偏振 光A’相对于入射光的偏振方向转了一个角
度，此值等于 角的一半，即
AL’
AL z AR
右旋光效应
= /2＝ （–a nR – nL）L/
–5
特点
• 两种旋光效应的区别
➢ 晶体的自然旋光现象：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。
➢ 磁致旋光效应：其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。
下学期的“液晶显示器”
–a
–14
–a
–15
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振方向会发生旋转。旋转角度 的大小与沿光束方向的磁
场强度 H 和光在介质中传播的长度 L 之积成正比
＝VBL
➢ V 称为韦尔代(Verdet)常数 ➢ 表示在单位磁场强度下线偏振光通过单位长度的磁光介质后偏振
方向旋转的角度
–a
–3
关于旋光现象的解释
• 旋光现象可解释为
➢ 外加磁场使介质分子的磁矩定向排列，当一束线偏振光通过它时 ，分解为频率相同、初相位相同的两个圆偏振光，其中一个圆偏 振光的电矢量是顺时针方向旋转，称为右旋圆偏振光，而另一个 圆偏振光是逆时针方向旋转的，称为左旋圆偏振光。这两个圆偏
第3章
光辐射的调制
–a
–1
§3.4 磁光调制
• 磁光效应
➢当光波通过某种磁性物质时，其传播特 性发生变化，这种现象称为磁光效应
➢包括法拉第旋转效应、克尔效应、磁致 双折射效应等
下面以法拉第旋转效应为例说明磁光调制的原理与过程
–a
–2
3.4.1 法拉第旋转效应
• 一束线偏振光在有外加磁场作用下的介质中传播时，其偏
Hsin( t) 0
H
L s
Hdc
式中，
0
θs 单位长度饱和法拉弟旋转角
H0sinωHt 调制磁场
–a
–9
§3.5 直接调制
• 直接调制是把要传递的信息转变为电流信号注入半导体光 源(激光二极管LD或半导体二极管LED)，从而获得已调制 信号的过程
• 由于它是在光源内部进行的，因此又称为内调制 • 是目前光纤通信系统普通使用的实用化调制方法 • 根据调制信号的类型，直接调制又可石(YIG或掺Ga的YIG棒)放在沿轴方向z 的光路上，它的两端放置有起、检偏器，高频螺旋形线圈 环绕在YIG棒上，受驱动电源的控制，用以提供平行于z轴 的信号磁场。
• 为了获得线性调制，通常在垂直于光传播的方向上加一恒 定磁场 Hdc，其强度足以使晶体饱和磁化。
–a
–8
➢ （连续的）模拟调制 ➢ 数字（脉冲编码）调制
–a
–10
• 半导体激光器有一个阈值电流 It，发射激光的强弱直接与驱动电流的 大小有关。若把调制信号加到激光器(电源)上，即可以直接改变(调制) 激光器输出光信号的强度
–a
–11
3.6 空间光调制器
• 前面所介绍的各种调制器是对一束光的“整体”进行作用 ，而且对与光传播方向相垂直的xy平面上的每一点其效果 是相同的。