光电子学第五章课件.ppt

1、光辐射的调制光辐射的调制光调制概述光调制概述n光调制目的：使光波携带信息，达到传输信息的目的光调制目的：使光波携带信息，达到传输信息的目的n光调制的实现手段：使光波中的光调制的实现手段：使光波中的某种可测参量某种可测参量随着信号的随着信号的变化而变化而变化变化，当接收到被调制后的光波后，记录下被调制参，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量的变化就能获得光波所传递的信息n用于光通信的光是相干光，相干光的可测参量包括光的用于光通信的光是相干光，相干光的可测参量包括光的强强度（振幅）度（振幅）、频率频率、位相位相和和偏振态偏振态。光调制概述光调制概述n根据被调制

2、的参量将光调制分类：根据被调制的参量将光调制分类：强度调制强度调制用光电探测器接收用光电探测器接收 频率调制频率调制用外差接收系统接收用外差接收系统接收 相位调制相位调制用外差接收系统接收用外差接收系统接收 偏振调制偏振调制在接收系统中设置偏振片检偏在接收系统中设置偏振片检偏光调制的基本概念与分类光调制的基本概念与分类振幅调制振幅调制n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：调制前：0()cos()()cosccccme tAta tAt载波调制讯号0()(cos)cos()(1cos)cos()()cos()cmcc

3、cmcccce tAKAttAmttA tt调制后：调制后：-10-5510t-1-0.50.51Null-10-5510t-1.5-1-0.50.511.5光调制的基本概念与分类光调制的基本概念与分类振幅调制振幅调制n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n调幅波的频谱分析：调幅波的频谱分析：()(1cos)cos()cos()cos()2cos()2cmccccccccmcmcce tAmttmAtAtmAt光调制的基本概念与分类光调制的基本概念与分类调制前：调制前：调制后：调制后：22200()cos()cos()()

4、sincccccmI tAtIta tAt载波调制讯号20()()cos()pccI tIK a ttn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：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强度调制-10-5510t0.20.40.60.811.21.4-10-5510t0.20.40.60.81Null光调制的基本概念与分类光调制的基本概念与分类n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：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强度调制200000()(1sin)cos()2()2()2pmccppII tmttK AImII

5、光强最大增量光强平均值001sin2pmImtI波形不失真要求波形不失真要求mp1，即：，即：-10-5510t0.20.40.60.811.21.4-10-5510t0.20.40.60.81Null光调制的基本概念与分类光调制的基本概念与分类()()cos()()()ccfcccctk a tttk a t c调频：常数e(t)=A调相：常数t（t）=总相位：总相位：调频和调相的相同点：调频和调相的相同点：是使总相位是使总相位(t)变化变化按调制信号的规律变化。按调制信号的规律变化。光调制的基本概念与分类光调制的基本概念与分类00000()()coscossinsin()cos(sin)t

6、tccfcmtcfmcfcmccfmcmccfmctk a t dta tAttk Atdtk Atttmte tAtmt0总相位：（t）=（t）dt+如 果：，则（t）=调频后的电场：调频过程：调频过程：光调制的基本概念与分类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波的频谱n调频和调相实质上都是调制总相角，可写成统一的形式：调频和调相实质上都是调制总相角，可写成统一的形式：()cossincos()cos(sin)sin()sin(sin)ccmccccmccme tAtmtAtmttmt02413cos(sin)()2()cos22()cos4sin(sin)2()sin2()s

7、in3mmmmmmmtJ mJ mtJ mtmtJ mtJ mt0()()cos()()cos()(1)cos()1cccncncmccmce tA JmtAJmntntn 可以得到最终的调频场为：可以得到最终的调频场为：光调制的基本概念与分类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波的频谱n调频和调相实质上都是调制总相角：调频和调相实质上都是调制总相角：0()()cos()()cos()(1)cos()1cccncncmccmce tAJ mtAJ mntntn n频谱是由光载波频率与其频谱是由光载波频率与其两边对称分布的无穷多对边两边对称分布的无穷多对边频所组成的。各边频之间的频

8、所组成的。各边频之间的频率间隔为调制信号频率频率间隔为调制信号频率 m,各边频幅度的大小由贝塞尔各边频幅度的大小由贝塞尔函数函数Jn(m)决定。决定。m6mc0(1)0.77J1(1)0.44J2(1)0.11J3(1)0.02Jm=1时的角度调制波的频谱时的角度调制波的频谱光调制概述光调制概述n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机理分类：电光调制、声光调制、磁光调制n光调制按照调制对象分类：内调制、外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内调制：直接对光源进行调制 -调制激光器的激励功率调制激光器的激励功率 -调制激光器共振腔长度

9、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，过电光、声光、磁光调制手段，改变介质的传输特性改变介质的传输特性，使得，使得光通过该介质时某种光通过该介质时某种光可变参量随信号变化光可变参量随信号变化，达到调制目的。，达到调制目的。光调制概述光调制概述 调制调制 机理？机理？光通过介质时的传光通过介质时的传输特性输特性n外调制器的调制机理都是基于改变调制器介质的光学常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数折射率和介电张量，引起通过调制器的光波的参量发折射率和介电张量，引起通过调制器

10、的光波的参量发生变化，从而达到调制的目的。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传播的解析描述n光波在单轴晶体中的传播规律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：在单轴晶体中存在两种特许偏振方向的光波：o光和光和e光。光。对应于某一波法线方向对应于某一波法线方向k有两条光线：有两条光线：so和和se.o光折射率不依赖于光折射率不依赖于k的方向，的方向，EoDo,soke光折射率随光折射率随k的方向改变，的方向改变，Ee与与De一般不平行一般不平行,但都在但都在k与与光轴所确定的平面内。光轴所确定的平面内。se与与k亦不重合亦不重合o

11、光与光与e光的场振动矢量彼此垂直：光的场振动矢量彼此垂直：EoEe,DoDe折射率椭球折射率椭球迅速直观地描述光波在晶体中的双折射现象迅速直观地描述光波在晶体中的双折射现象n折射率椭球方程：折射率椭球方程：2221232221231xxxnnnn折射率椭球的物理意义：表征了晶体折射率在晶体空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。间的各个方向上全部取值分布的几何图形。n折射率椭球的性质折射率椭球的性质:(d,n)曲面曲面x1x20n2n1n3利用折射率椭球分析光在单轴晶体中的传播特性利用折射率椭球分析光在单轴晶体中的传播特性2221232221231

12、xxxnnn22212322x1oexxnnn折射率椭球主轴坐标系方程折射率椭球主轴坐标系方程对于单轴晶体有对于单轴晶体有n1=n2=no,n3=ne,所以得到：所以得到：旋转椭球旋转椭球:k(0,sin,cos)取x2ox3截面图S3x2xE TD on sk（）onen22222cossin1oennnT(0，n”cos,n”sin)点在椭球上，满足方程：点在椭球上，满足方程：222222sincosoeoen nnnoen=，e光折射率在n 与n 之间X2X3X1KS D E n在单轴晶体中，与给定单位波矢方向在单轴晶体中，与给定单位波矢方向k对应的对应的o光和光和e光诸光诸矢量的关系如

13、下图矢量的关系如下图2222221sin22sincoseooenntgnn222222sincosoeeoen nnnn()=理想单色平面波在晶体中的传播理想单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光波在单轴晶体中传播的解析描述22212322x1oexxnn电光调制电光调制晶体的电光效应晶体的电光效应n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。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利用电光效应可以方便地实现光调制 线性电光效应（线性电光效应（Pockels）：折射率的改变与外场

14、电场强度的）：折射率的改变与外场电场强度的大小大小成正比成正比二次电光效应（二次电光效应（Kerr）：折射率的改变与外场电场强度的）：折射率的改变与外场电场强度的平平方方成正比成正比n电光效应分类电光效应分类电光调制电光调制晶体的电光效应晶体的电光效应n如何描述电光效应？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。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，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

15、光学特性的影响。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，必然会通过折射率椭球的外加电场对晶体光学特性的影响，必然会通过折射率椭球的变化反映出来。变化反映出来。电光调制电光调制晶体的电光效应晶体的电光效应22011,1,12,131ijijijijijijijnijijijx xx xx xix xjn 令不加外场时折射率椭球 加外场感生折射率椭球 其中n晶体的折射率椭球的一般形式为晶体的折射率椭球的一般形式为:电光调制电光调制n折射率椭球的变化可以用系数变化折射率椭球的变化可以用系数变化ij描述，则描述，则外加电场后外加电场后的感生折射率椭球可写为：的感生折射率椭球可写

16、为：晶体的电光效应晶体的电光效应0()1ijijijijijx xx x 331,1 ijijkkijklklkk lEhE E线性电光效应，线性电光效应，ijk是三阶张量是三阶张量二次电光效应，二次电光效应，hijkl是四阶张量是四阶张量电光调制电光调制晶体的电光效应晶体的电光效应n线性电光效应线性电光效应:011112131502122223240313233354636ij23123221311321333113112112212321121221311111211313221222223213331333332132232333323231ijkkkEEEE 电光调制电光调制0ijij

17、ij23123221311321333113112112212321121221311111211313221222223213331333332132232333323231ijkkkEEEE 11121321222313132332m4142433515253616263kkEEEEn线性电光系数矩阵线性电光系数矩阵加电场后的椭球加电场后的椭球未加电场的折射率椭球未加电场的折射率椭球电光系数矩阵，电光系数矩阵，27个元个元外外加加电电场场电光系数矩阵，电光系数矩阵，18个元个元u各种晶体的电光系各种晶体的电光系数矩阵数矩阵 mk可以从相可以从相应的手册上查出应的手册上查出u mk描述了外加

18、电描述了外加电场对晶体光学特性的场对晶体光学特性的线性效应线性效应u已知晶体系数矩阵已知晶体系数矩阵和光场，则可以求得和光场，则可以求得晶体的折射率变化晶体的折射率变化晶体的线性电光系数矩阵晶体的线性电光系数矩阵1ijijjimijkjikmkij电光调制电光调制线性电光效应线性电光效应1230322022101xxx111213121222321331323324414243355152536616263EEE 2221 1223342353 16122221xxxx xx xx xn求解感生折射率椭球求解感生折射率椭球:已知：未加电场时折射率椭球已知：未加电场时折射率椭球加电场后折射率椭球

19、：加电场后折射率椭球：000123126,mkE查出相应的从已知的、及代入上式可求出加电场后的椭球方程系数：、n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电光调制KDP类晶体的线性电光效应类晶体的线性电光效应nKDP(KH2PO4,磷酸二氢钾磷酸二氢钾)晶体是人工晶体，晶体是人工晶体，在在0.21.5 m波长范围内透明度很高，且抗激光破坏阈值很高。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。它的主要缺点是易潮解。222022023121123322000123221()111 ,oeoe

20、xxxxxxnnnn 其中KDP型晶体外型图型晶体外型图光轴方向为光轴方向为x3轴方向轴方向nKDP晶体是单轴晶体，属四方晶系。其主轴折射率分晶体是单轴晶体，属四方晶系。其主轴折射率分别为别为no，ne，无外加电场时，折射率椭球为旋转椭球：，无外加电场时，折射率椭球为旋转椭球：414163000000000000000mknKDP晶体的电光系数矩阵为：晶体的电光系数矩阵为：电光调制电光调制KDP类晶体的线性电光效应类晶体的线性电光效应011102211033324414354156636000000000000000EEE011021033441154126633EEEKDP型晶体外型图型晶体

21、外型图光轴方向为光轴方向为x3轴方向轴方向感生折射率感生折射率椭球系数为：椭球系数为：n施加电场施加电场E后，后，KDP晶体的线性电光效应为：晶体的线性电光效应为：12)(2)(21363132321412303222101xxExxExxExxx折射率椭球由原来的正旋转椭球变折射率椭球由原来的正旋转椭球变为三轴椭球为三轴椭球,三个椭球轴与晶体主轴三个椭球轴与晶体主轴有了倾斜角有了倾斜角,即变为双轴晶。即变为双轴晶。电光调制电光调制KDP类晶体的线性电光效应类晶体的线性电光效应12)(2)(21363132321412303222101xxExxExxExxxn加任意电场后加任意电场后KDP类

22、晶体的折射率椭球方程写为：类晶体的折射率椭球方程写为：uE1,E2为垂直于光轴的外加电场，其电光效应与为垂直于光轴的外加电场，其电光效应与 41有关有关uE3为平行于光轴的外加电场，其电光效应与为平行于光轴的外加电场，其电光效应与 63有关有关nKDP类晶体的线性电光效应运用方式分类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：按外加电场方向分类：电场加在光轴电场加在光轴(x3)方向方向 63 电场加在垂直于光轴电场加在垂直于光轴x3方向方向 413x1x2x3E1E2E电场确定后，又可以按通光方向分为两类：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纵向电

23、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横向电光效应：通光方向与电场方向垂直电光调制电光调制 6363电光效应电光效应n电场沿电场沿x3（光轴）方向施加（光轴）方向施加,E1=E2=0，此时折射率椭球方程为：，此时折射率椭球方程为：12)(213632303222101xxExxx00001633163316331633000063316311633163300003333123:000000000000000ijijijEEEEEEEExxx 1.对 进行对角化特征方程为：特征根为：设、为新椭球的2222202020222300121633116332331222

24、2221206330633016336331,:()0 :()11 11 xnnxxE xE xxnnnnnnEEEnE e三个主轴 椭球方程为 2.椭球的三个主轴方位可通过三个特征值相应的特征向量得到：例如,对 的特征方程为其中：，1021230331331221232200:,0 ,(,:,0)2200:xxxxxxxxxxxxxxx ，可解出归一化后得特征向量 表示新坐标系的 轴位于原坐标系 轴和 轴角分线上。同理可得到 轴位于 轴和 轴的角分线上；结论 新坐标 轴与 轴重系绕 轴合逆时针转过45 上式有交叉项上式有交叉项椭球变形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：通过

25、主轴化求出感生折射率椭球三主轴大小与方向：电光调制电光调制 6363电光效应电光效应n电场沿电场沿x3（光轴）方向施加，感生折射率椭球绕（光轴）方向施加，感生折射率椭球绕x3 轴转动了轴转动了45，E3正号则逆时针，正号则逆时针，E3负号则顺时针负号则顺时针1x2x1x2xo1n0n2n222126320100633206332020063320633330063300633232221113 1,122411 1211 12111212xxxnnnnEnEnnnnEnEnnEnxnnxxE e由于利用级数展开式可以得到：n电场沿电场沿x3（光轴）方向施加时感生主折射率的变化量为：（光轴）方向

26、施加时感生主折射率的变化量为：31106333220633331212ooennnnEnnnnEnnn 电光调制电光调制 6363纵向电光相位延迟纵向电光相位延迟21336336332()22=oonndnE dnV1x3x2x1x2xd3E一般半波电压都很大！一般半波电压都很大！n通过晶体后两光产生相位差为：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半波电压：所加电压使两线偏振光的相差满足GG。3632oVn输出Lyx xV输入LVE KDP起偏)(zz电光调制电光调制 6363横向电光横向电光相位延迟相位延迟2336332()2 ()oeonnlllnnn Vdn

27、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。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。n通过晶体后两光产生相位差为：通过晶体后两光产生相位差为：/2/2()()dVVl纵横电光调制电光调制 6363横向电光横向电光效应的补偿方式效应的补偿方式L3x2x1xL1x2x33xxEE1x2x33xxn第二块晶体相对于第一块翻转第二块晶体相对于第一块翻转90度放置，电场反向度放置，电场反向3E3E电光调制电光调制 6363横向电光横向电光效应的补偿方式效应的补偿方式L y zz xL2 x y zzEE x y zzn第二块晶体相对于第一块翻转第二块晶体相对于第一块翻转180度放

28、置度放置电光调制电光调制KDP类晶体的电光振幅调制类晶体的电光振幅调制nKDP晶体晶体 63纵向运用纵向运用入射光强为：入射光强为：调制光强为：调制光强为：()()xcycELAExp itELAExp it Expi (0)(0)xcycEAExp itEAExp it1 21 2xcoycoEAExp itEAExp it Expi 电光调制电光调制KDP类晶体的电光振幅调制类晶体的电光振幅调制nKDP晶体晶体 63纵向运用纵向运用2 sin2oiII调制光强为：调制光强为：n调制器的透过率为：调制器的透过率为：n为减小失真，使透过率线性变化：为减小失真，使透过率线性变化：电光调制电光调制

29、KDP类晶体的电光振幅调制类晶体的电光振幅调制n振幅调制或强度调制振幅调制或强度调制:KDP晶体晶体 63纵向运用纵向运用010311.1 ()sinsin()sin()1:1sin22.111 sin(sin)()sin()22():()mmmmmmmtmmmtmmmmmmmVVVVVttVVVIVtIVIVtJ tIVJJJ 当即时，得当不太大时失真程度用来衡量，可得1()3%()mmJ 011sin(sin)2tmmIVtIV输出光强仍为正弦变化输出光强仍为正弦变化,不失真。不失真。可见失真程度很小可见失真程度很小电光调制电光调制KDP类晶体的电光相位调制类晶体的电光相位调制363322

30、1coscos()2ccooEAtn dAtnnEd 光输出光强为输出光强为:n外电场不改变出射光的偏振状态，仅改变其相位外电场不改变出射光的偏振状态，仅改变其相位电光调制电光调制光电子学实验光电子学实验-铌酸锂（铌酸锂（LiNbO3）晶体横向调制）晶体横向调制 nLN晶体是单轴晶体，其线性电光系数矩阵为：晶体是单轴晶体，其线性电光系数矩阵为：22132213335151220000000000n没有加电场之前，没有加电场之前，LN的折射率椭球为：的折射率椭球为：222123221oexxxnnn加上电场之后，其折射率椭球变为：加上电场之后，其折射率椭球变为：22222213312221332

31、333322251223511 13221 121112221ooeEExEExExnnnE x xE x xE x xLN晶体折射率椭球x3x2x1n1n2n n3 3电光调制电光调制光电子学实验光电子学实验-铌酸锂（铌酸锂（LiNbO3）晶体横向调制）晶体横向调制 n实验光路为：实验光路为：x1x3dYPAELU横向电光调制示意图横向电光调制：横向电光调制：1230,EEEE22213312333322111oeExxE xnnn加上横向电场之后，其折射率椭球变为：加上横向电场之后，其折射率椭球变为：n新的主轴折射率为：新的主轴折射率为：1231231313212333332112112x

32、xoooxeeennEnnEnnEnnEn 电光调制电光调制光电子学实验光电子学实验-铌酸锂（铌酸锂（LiNbO3）晶体横向调制）晶体横向调制 n实验光路为：实验光路为：x1x3dYPAELU横向电光调制示意图1230,EEEEnLN的横向电光延迟为：的横向电光延迟为：3333132()()oeeolUnnnnldUU电光调制电光调制光电子学实验光电子学实验-铌酸锂（铌酸锂（LiNbO3）晶体横向调制）晶体横向调制 n实验光路为：实验光路为：电光调制实验系统连接方法激光器起偏器电光晶体1/4波片检偏器光电探测器示波器激光器电源ZYEOM-SS信号源电光调制电光调制光电子学实验光电子学实验-铌酸

33、锂（铌酸锂（LiNbO3）晶体横向调制）晶体横向调制 nLN的横向振幅调制光强：的横向振幅调制光强：222sin2tIA22sinsinsin22tmiITUtIUn光强透过率光强透过率T为为 0202201,211sin(sin)1sin(sin)1()sinsin422220,1sin(sin)()(1cos2)cos2283,2mmmmmmmmUUUUUTUtUtttUUUUUUUTUtttUUUUUU、；、，倍；、失真 电光调制电光调制电光波导相位调制器电光波导相位调制器电光波导强度调制器电光波导强度调制器电光波导调制器电光波导调制器n超声波通过介质时，介质中的各点将出现随时间和空间周

34、期性变化的弹性应变。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。引起介质中各点的折射率产生相应的周期性变化。22QL声光调制声光调制声光衍射效应声光衍射效应n按照按照超声波频率的高低和介质中超声波频率的高低和介质中声光相互作用长度声光相互作用长度的不同，的不同，由声光效应产生的由声光效应产生的衍射有两种常用衍射有两种常用的的极端情况极端情况：喇曼：喇曼乃斯乃斯(Raman-Nath(Raman-Nath)衍射和布拉格衍射。衍射和布拉格衍射。衡量参量衡量参量：当当Q-喇曼喇曼乃斯衍射乃斯衍射当当Q4-布拉格衍射布拉格衍射n声光

35、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。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。声光调制声光调制声光衍射效应声光衍射效应-拉曼拉曼-奈斯衍射奈斯衍射n拉曼拉曼-纳斯衍射：纳斯衍射：n拉曼拉曼-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，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，形成形成与入射方向对称分布的多级衍射光与入射方向对称分布的多级衍射光。aLL0z光波波阵

36、面声波波阵面01122xz声波通过介质声波通过介质介质中产生介质中产生随时间、空间周期变化的弹性随时间、空间周期变化的弹性波波折射率周期变化折射率周期变化相相当于当于“相位光栅相位光栅”发生光发生光的衍射的衍射声光调制声光调制声光衍射效应声光衍射效应-拉曼拉曼-奈斯衍射奈斯衍射n设宽度为设宽度为D 的光波垂直入射宽度为的光波垂直入射宽度为L 声波柱，则在声场外声波柱，则在声场外P点处总的衍射光强是点处总的衍射光强是所有子波源贡献的和所有子波源贡献的和.n介质中传播声频行波表示为介质中传播声频行波表示为(,)sin()E x tatk xn折射率相应规律变化折射率相应规律变化 0(,)sin()

37、n x tnntk xn则在则在L/2处出射光波为处出射光波为 00m()exp()exp(sin()exp sin()ssssssosnLLEtaitaitnntk xccaitkkn LtknxnLkL 令=n若在若在-L/2处入射光波为处入射光波为 exp()sisEait声光调制声光调制声光衍射效应声光衍射效应-拉曼拉曼-奈斯衍射奈斯衍射n设宽度为设宽度为D 的光波垂直入射宽度为的光波垂直入射宽度为L 声波柱，则在声场外声波柱，则在声场外P点处总的衍射光强是点处总的衍射光强是所有子波源贡献的和所有子波源贡献的和.平面相位光栅衍射 n从从X点的子波到达点的子波到达P点的扰动为：点的扰动为

38、：000 exp sin()exp sin()sin ssmsssmssaitk n Ltk xk Raitk n Ltk xk Rk xn在在P P点得到的光波复振幅点得到的光波复振幅是全光束口径是全光束口径D上子波和上子波和22()exp sinsin()sin(sin)2()exp()(sin)2DDsmsmmssAi k xtk xdxDkmkJimtDkmk声光调制声光调制n宽度为宽度为D 的光波垂直入射宽度为的光波垂直入射宽度为L 声波柱，在声场外声波柱，在声场外P点处总的衍射光强点处总的衍射光强极大值方向：极大值方向：零级亮纹两边对称分布高级亮纹零级亮纹两边对称分布高级亮纹衍射角

39、大小与声波频率成反比衍射角大小与声波频率成反比极大值光强：极大值光强：同级衍射光强相等同级衍射光强相等衍射光发生频移：衍射光发生频移：sin(sin)2()exp()(sin)2spmmssDkmkEJimtDkmk22mmmmmIJJsmsin0sinssskkmkmmk声光衍射效应声光衍射效应-拉曼拉曼-奈斯衍射奈斯衍射声光调制声光调制光电子学实验光电子学实验-拉曼拉曼-奈斯声光调制奈斯声光调制n 拉曼奈斯衍射各级衍射光的光强度拉曼奈斯衍射各级衍射光的光强度22()()mmmmsIJJknLn 对于一级衍射光强度与超声波功率正比对于一级衍射光强度与超声波功率正比22211122323()(

40、)()1222mssIJJknLknLPM Pnn pHLHLn拉曼奈斯衍射只适用于振幅较大的低频弹性波的情况拉曼奈斯衍射只适用于振幅较大的低频弹性波的情况 22122sM LIPH声光调制声光调制光电子学实验光电子学实验-拉曼拉曼-奈斯声光调制奈斯声光调制观察拉曼观察拉曼奈斯衍射现象奈斯衍射现象 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光的强度超声波信号源的功率影响衍射角的大小超声波信号源的功率影响衍射角的大小 声光调制声光调制晶体的声光效应晶体的声光效应-布拉格衍射布拉格衍射n布拉格衍射布拉格衍射的显著特点是衍射光强分布的显著特点是衍射光强分布不对称，而且只有零级和不对

41、称，而且只有零级和+1 或或-1 级衍射级衍射光光，如果恰当地选择参量，并且超声功率，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足够强，可以使入射光的能量几乎全部转移到零级或移到零级或 1 级衍射极值方向上。级衍射极值方向上。n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n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。度斜入射时发生的。声光调制声光调制晶体的声光效应晶

42、体的声光效应-布拉格衍射布拉格衍射n布拉格衍射模型：布拉格衍射模型：(coscos)idnxmid上式对任意上式对任意x均成立，有：均成立，有：对应零级衍射光对应零级衍射光k入射1 级ADCBdi1 级ABOid(sinsin)2sinidinmn对应一级衍射光对应一级衍射光声光调制声光调制晶体的声光效应晶体的声光效应-布拉格衍射布拉格衍射n布拉格型衍射只能出现零级和布拉格型衍射只能出现零级和+1 级或级或-1 级的衍射光束。级的衍射光束。n以以 i入射的平面光波，由超声波面上各点产生同相位衍射光的条件入射的平面光波，由超声波面上各点产生同相位衍射光的条件:sin2idBB布拉格衍射条件布拉格

43、衍射条件n布拉格衍射光强布拉格衍射光强2sin2cos2120VIIVIIiiV是光通过声光介质后，由折射是光通过声光介质后，由折射率变化引起的附加相移。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。级衍射光功率。声光调制声光调制晶体的声光调制晶体的声光调制n布拉格衍射效率：布拉格衍射效率：n通过控制超声功率即可实现对光场的调制通过控制超声功率即可实现对光场的调制声光调制声光调制晶体的声光偏转晶体的声光偏转衍射光与入射光间的偏转角度为：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

44、声波频率变化对光束偏偏转的影响为：影响为：n原理：原理：利用调频声波，改变偏转角大小而改变衍射光方向利用调频声波，改变偏转角大小而改变衍射光方向sk2oidBfnvofnv一一KDP晶体，长度晶体，长度l=3cm。在波长。在波长=0.5m时，时，no=1.51，ne=1.47，63=10.510-12m/v。（1）当入射光偏振方向沿）当入射光偏振方向沿x1时，求该晶体在电光相位延迟为时，求该晶体在电光相位延迟为=时，时，外外加电压的大小？加电压的大小？（2）当入射光偏振方向沿）当入射光偏振方向沿x1 时，求该晶体在电光相位延迟为时，求该晶体在电光相位延迟为=时，时，外外加电压的大小？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偏转器的工作原理