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1、第二章第二章 光辐射的调制光辐射的调制2.1 2.1 机械调制机械调制2.2 2.2 电光调制电光调制2.3 2.3 声光调制声光调制2.42.4 磁光调制磁光调制在在光通信光通信系统中，系统中，需要把声音、图像、数据信息加载到需要把声音、图像、数据信息加载到光波上进行传输。光波上进行传输。在在光电检测光电检测系统中，系统中，使探测光为调制光，可以比非调制光使探测光为调制光，可以比非调制光 具有更强的抗干扰能力。具有更强的抗干扰能力。调制的目的调制的目的：光信息系统的信号加载与控制光信息系统的信号加载与控制 调制的内容：调制的内容：是指改变光波振幅、强度、相是指改变光波振幅、强度、相位或频率、
2、偏振等参数，使之携带信息的过程。位或频率、偏振等参数，使之携带信息的过程。光调制的优点光调制的优点:1.容量大容量大2.易加载易加载3.距离远距离远4.易保密易保密5.抗电磁干扰能力强抗电磁干扰能力强 光光调制的方法：调制的方法：l l传统方法：调制盘（对光辐射强度进行调制）；传统方法：调制盘（对光辐射强度进行调制）；传统方法：调制盘（对光辐射强度进行调制）；传统方法：调制盘（对光辐射强度进行调制）；l l现代方法现代方法现代方法现代方法：利用外场的微扰引起介质的非线性：利用外场的微扰引起介质的非线性：利用外场的微扰引起介质的非线性：利用外场的微扰引起介质的非线性极化，从而改变介质的光学性质。
3、在外场下利极化，从而改变介质的光学性质。在外场下利极化，从而改变介质的光学性质。在外场下利极化，从而改变介质的光学性质。在外场下利用光和介质的相互作用而实现对光辐射振幅频用光和介质的相互作用而实现对光辐射振幅频用光和介质的相互作用而实现对光辐射振幅频用光和介质的相互作用而实现对光辐射振幅频率、相位等参数的调制。率、相位等参数的调制。率、相位等参数的调制。率、相位等参数的调制。光辐射的现代调制方法：光辐射的现代调制方法：l l按调制是在光源内发生还是光源外进行分按调制是在光源内发生还是光源外进行分按调制是在光源内发生还是光源外进行分按调制是在光源内发生还是光源外进行分：内调制内调制内调制内调制和
4、和和和外调制外调制外调制外调制l l内调制内调制内调制内调制：将欲传输的信号直接加载于光源，将欲传输的信号直接加载于光源，将欲传输的信号直接加载于光源，将欲传输的信号直接加载于光源，以改变光源的输出特性来实现调制；只适用以改变光源的输出特性来实现调制；只适用以改变光源的输出特性来实现调制；只适用以改变光源的输出特性来实现调制；只适用于一些特定的光源，如于一些特定的光源，如于一些特定的光源，如于一些特定的光源，如LDLD和和和和LEDLED的直接调制的直接调制的直接调制的直接调制 例：例：例：例：对半导体激光器的驱动电源用调制信号对半导体激光器的驱动电源用调制信号对半导体激光器的驱动电源用调制信
5、号对半导体激光器的驱动电源用调制信号直接控制，实现对所发射激光强度的调制；直接控制，实现对所发射激光强度的调制；直接控制，实现对所发射激光强度的调制；直接控制，实现对所发射激光强度的调制；又如：把调制元件放在谐振腔内，用欲传输又如：把调制元件放在谐振腔内，用欲传输又如：把调制元件放在谐振腔内，用欲传输又如：把调制元件放在谐振腔内，用欲传输的信号控制调制元件物理性质的变化而改变的信号控制调制元件物理性质的变化而改变的信号控制调制元件物理性质的变化而改变的信号控制调制元件物理性质的变化而改变光腔参数，从而调制激光输出。光腔参数，从而调制激光输出。光腔参数，从而调制激光输出。光腔参数，从而调制激光输
6、出。l l外调制：将光源与调制器分开设立，在光源外调制：将光源与调制器分开设立，在光源外调制：将光源与调制器分开设立，在光源外调制：将光源与调制器分开设立，在光源外的光路上放置调制器，将欲传输的信号加外的光路上放置调制器，将欲传输的信号加外的光路上放置调制器，将欲传输的信号加外的光路上放置调制器，将欲传输的信号加载于调制器，透过光的物理性质将发生变化，载于调制器，透过光的物理性质将发生变化，载于调制器，透过光的物理性质将发生变化，载于调制器，透过光的物理性质将发生变化，实现调制。实现调制。实现调制。实现调制。电光调制电光调制电光调制电光调制 声光调制声光调制声光调制声光调制 磁光调制磁光调制磁
7、光调制磁光调制 热光效应热光效应热光效应热光效应外调制技术适用于外调制技术适用于所有所有光源。光源。常用方法常用方法:机电振子、旋转调光盘等机电振子、旋转调光盘等2.1 2.1 机械调制机械调制简单易行简单易行 调制原理调制原理：用遮光或改变透过率方式作光通用遮光或改变透过率方式作光通量的幅度调制。量的幅度调制。应用：常用于光电探测中需要抗干扰的场合应用：常用于光电探测中需要抗干扰的场合NMNMN 缺点：难进行高频调制、体积较大等缺点：难进行高频调制、体积较大等2.1 2.1 机械调制机械调制利用斩波器通断光通量，使利用斩波器通断光通量，使探测光成为调制光。探测光成为调制光。调制光并配上合适的
8、有源带通滤波器，以调制光并配上合适的有源带通滤波器，以克服杂散光的干扰克服杂散光的干扰。斩波器斩波器有源带通有源带通滤波器滤波器探测器输出的光电流探测器输出的光电流设计有源带通滤波器，设计有源带通滤波器，f f0 0为方波频率。通频带为方波频率。通频带f f窄，杂散光被滤去。窄，杂散光被滤去。优点：容易优点：容易实现；能对实现；能对辐射的任何辐射的任何光谱成分进光谱成分进行调制。行调制。缺点：有运缺点：有运动部分，寿动部分，寿命较短，体命较短，体积较大，调积较大，调制频率不高。制频率不高。一些机械调制装置一些机械调制装置2.2 2.2 电光调制电光调制在强电场作用下介质折射率改变而产在强电场作
9、用下介质折射率改变而产生的光调制。生的光调制。适用于单色光源。适用于单色光源。一、一、物理基础：物理基础：电光效应电光效应 线性电光效应线性电光效应（PockelsPockels，1893年）二次电光效应二次电光效应（KerrKerr，1875年）介质原本是单轴晶体。介质原本是单轴晶体。介质原本是各向同性晶体。介质原本是各向同性晶体。电光调制基于电光调制基于线性电光效应。线性电光效应。晶体的结构特征晶体的结构特征l空间点阵：晶体是由原子、分子或离子在空间按照一定的规则周期性排列形成的一种晶态固体。l结点：晶体中的微粒叫基元，又叫结点。l点阵：全部结点的总称叫点阵。l晶格：格子状结构的点阵就叫晶
10、格。l格点：=结点l晶胞：周期重复的最小基本（结构）单位周期重复的最小基本（结构）单位l晶胞常量晶胞常量l布喇菲点阵：根据空间对称性，可以有布喇菲点阵：根据空间对称性，可以有14种点种点阵，称布喇菲点阵，或称阵，称布喇菲点阵，或称14种晶胞种晶胞l14种晶胞共分种晶胞共分7个晶系：个晶系：三斜、单斜、正交（斜三斜、单斜、正交（斜方）、正方（四角）、立方、三角、六角方）、正方（四角）、立方、三角、六角l布喇菲点阵布喇菲点阵三角六角三斜立方正交（斜方）正方单斜晶体的基本性质晶体的基本性质l1.自限性：晶体具有自发地形成封闭的凸几何多面体的能力。l2.晶面角守恒：指同一品种的晶体，两个对应的晶棱间的
11、夹角恒定不变。l3.均匀性：晶体在不同的位置上具有相同的物理性质。l4.最小内能性：长程有序性l5.各向异性：晶体的宏观性质随观察方向的不同而不同。典型体现：晶体的解理、双折射。l6.对称性光在晶体中的传播特性光在晶体中的传播特性l光在晶体中的传播实际是光与晶体相互作用的结果：l介质受到光波电场E作用后产生极化,极化强度用极化强度矢量P来表示,P与E之间的关系用宏观物理量极化率来描述l光辐射场对晶体的极化影响综合效果集中表现为介电常量的变化，从而引起折射率变化从而引起折射率变化：通常材料的介电常量通常材料的介电常量 与外电场无关，但当外与外电场无关，但当外加电场较强时，介电常量便有微小的变化，
12、从而引加电场较强时，介电常量便有微小的变化，从而引起折射率变化：起折射率变化：、为常量常量线性电光效应，或线性电光效应，或Pockels效应（效应（KDP、LiNbO3）二次电光效应，或二次电光效应，或Kerr效应效应（BaTiO3、硝基苯液体）、硝基苯液体）、k由介质本身的性质决定，取决于晶体本身的结构和对称性。现在讨论现在讨论线性电光效应线性电光效应 晶体的双折射晶体的双折射l定义:是指光在各向异性介电晶体中传播时,分为两束偏振方向不同的光,向两个方向折射l通常情况下,o光与 e光的传播方向不同各向同性介质各向同性介质双折射现象双折射现象外加强电场外加强电场单色自然光单色自然光晶体的截面晶
13、体的截面O O光光e e光光电光效应电光效应l定义定义:当足够强的外电场影响到晶体中的原子、分子的排列以及它们之间的相互作用,这种内部的,微观的变化就导致晶体在宏观上表现出极化强度及折射率也各向异性地发生变化，由由于极化而出现光学特性（各向异性）的改变，于极化而出现光学特性（各向异性）的改变，影响到光波在介质中的传播特性。影响到光波在介质中的传播特性。l电光效应电光效应实质实质：在光波电场与外电场的共同作：在光波电场与外电场的共同作用下，使介质出现非线性的极化过程。用下，使介质出现非线性的极化过程。1.1.的纵向电光效应的纵向电光效应KDPKDP负单轴晶体负单轴晶体 强电场强电场E/ZE/Z轴
14、轴,KDP,KDP由单轴晶体变为变为双轴晶体；线偏振光沿双轴晶体；线偏振光沿Z Z轴入射，轴入射，分解成分解成X X、Y Y方向上方向上振幅相同振幅相同、但、但传传播速度不同播速度不同的两个线偏振光。的两个线偏振光。光传播方向与光传播方向与电场方向一致电场方向一致起偏器 lKDP晶体沿晶体沿z轴加电场时，由单轴晶体变成了轴加电场时，由单轴晶体变成了双轴晶体，折射率椭球的主轴绕双轴晶体，折射率椭球的主轴绕z轴逆时针旋轴逆时针旋转了转了450角，此转角与外加电场的大小无关。角，此转角与外加电场的大小无关。X X、Y Y方向两偏振光射出晶体时有光程差方向两偏振光射出晶体时有光程差:则相位差为：则相位
15、差为：半波电压半波电压 :造成光程差造成光程差电光相位延迟电光相位延迟：在：在X、Y两个方向的传播速度如果不同两个方向的传播速度如果不同,则则在传播过程中会产生相位延迟的现象，即产生相位差。在传播过程中会产生相位延迟的现象，即产生相位差。2.2.的横向电光效应的横向电光效应光传播方向与光传播方向与电场方向垂直电场方向垂直对对KDPKDP晶体采用晶体采用45-Z45-Z切。强电场切。强电场E/ZE/Z轴轴,KDP,KDP变为双轴晶体。变为双轴晶体。入射光沿入射光沿X X轴方向进入晶体，轴方向进入晶体，其偏振方向与其偏振方向与Z Z、Y Y成成4545，在晶体中分解为，在晶体中分解为Z Z、Y Y
16、方向两个振幅相同的线偏振光。方向两个振幅相同的线偏振光。与与Z Z轴对应的主折射率：轴对应的主折射率：与与Y Y轴对应的主折射率：轴对应的主折射率：式中式中n ne e是晶体是晶体e e光折射率，光折射率，E=U/dE=U/d，U U为外加电压。为外加电压。两个线偏振光射出晶体时有光程差：两个线偏振光射出晶体时有光程差：则相位差为：则相位差为：l横向电光效应包含了自然双折射造成的相位差，易受温度影响。横向电光效应包含了自然双折射造成的相位差，易受温度影响。采用组合调制器进行补偿。采用组合调制器进行补偿。自然双折射造成的相位差自然双折射造成的相位差电光效应引起的相位差电光效应引起的相位差消除自然
17、双折射消除自然双折射横向电光效应的优点：横向电光效应的优点：适当地增加适当地增加 L/d L/d，就可以增强电光效应的作用，就可以增强电光效应的作用而降低晶体上所需的电压；电极设在横向，不影而降低晶体上所需的电压；电极设在横向，不影响光的传播；在外加电压响光的传播；在外加电压 U U一定时，加长晶体通一定时，加长晶体通光长度并不影响晶体内的电场强度，因而可以加光长度并不影响晶体内的电场强度，因而可以加长晶体长度获得较大的相位延迟。长晶体长度获得较大的相位延迟。半波电压半波电压 为为:通常，纵向通常，纵向 是数千伏，是数千伏，横向横向 只是只是数百伏。数百伏。3.3.电光晶体材料电光晶体材料 用
18、于线性电光效应的电光晶体，除要求电光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：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；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；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。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在可见和近红外区主要有KDPKDP类晶体、类晶体、LiTaOLiTaO3 3、LiNbOLiNbO3 3、KTNKTN等。等。在中红外区有在中红外区有GaAsGaAs、CuclC
19、ucl、CdTeCdTe等。等。KDPKDP类晶体、类晶体、LiNbOLiNbO3 3（LNLN）晶体应用广泛。）晶体应用广泛。见表见表2.12.1二、电光强度（或振幅）调制二、电光强度（或振幅）调制在在PockelsPockels效应中，通过晶体的两正交线效应中，通过晶体的两正交线偏振光形成了固定的相位差偏振光形成了固定的相位差。在晶体的在晶体的光输出端光输出端后置检偏后置检偏器器P P2 2，使使N N2 2NN1 1。透过检偏器透过检偏器P P2 2的光强的光强I I2 2便受到电信号的调制。便受到电信号的调制。横向电光调制装置横向电光调制装置纵向电光强度调制装置纵向电光强度调制装置其中
20、其中为检为检偏器的最大偏器的最大输输出光出光强强。显显然，然，检检偏器的偏器的输输出光出光强强是是电压电压V 的函数。的函数。当当时时，出，出现现消光消光现现象。象。时时，光，光强强有最大有最大值值 可见出射光强随外加电压而变，如果把信号加在晶体上，输出光强就随信号而变，就为信号所调制。根据上述关系可以画出光强调制特性曲线。根据上述关系可以画出光强调制特性曲线。在一般情况下，调制器的输出特在一般情况下，调制器的输出特性与外加电压的关系是非线性的性与外加电压的关系是非线性的。50100透过率(%)0透射光强时间电压调制电压VV/2电调制特性曲线电调制特性曲线若调制器工作在非线性部分若调制器工作在
21、非线性部分,则调制光将发生畸变。为了获得线则调制光将发生畸变。为了获得线性调制，可以通过引入一个固定的性调制，可以通过引入一个固定的 /2相位延迟，使调制器的相位延迟，使调制器的电压偏置在电压偏置在T50的工作点上。常用的办法有两种：的工作点上。常用的办法有两种：下面详细分析横向电光调制：下面详细分析横向电光调制：入射光入射光(光强光强I I1 1）进入晶体进入晶体，其其振幅振幅A A1 1分解成分解成A Az z、A Ay y：两线偏振光到达检偏器，能透过两线偏振光到达检偏器，能透过P P2 2的光振幅：的光振幅：这两个线偏振光射出晶这两个线偏振光射出晶体，有固定相位差：体，有固定相位差：二
22、者有固定相位差二者有固定相位差+，则通过检偏器则通过检偏器P P2 2的光强：的光强：式中，式中，I 输出V 输入l问题：问题：由于调制器的工由于调制器的工作点在透射曲线的非线作点在透射曲线的非线性区，故输出光信号失性区，故输出光信号失真，光信号的频率为调真，光信号的频率为调制信号的两倍。制信号的两倍。l解决办法：解决办法：为了获得线为了获得线性调制，可引入一个固性调制，可引入一个固定的定的/2/2相位延迟，常相位延迟，常在调制器的光路中插入在调制器的光路中插入一个一个/4/4波片。波片。p为使工作点选在曲线中点处，通常在调制晶体上外加直流为使工作点选在曲线中点处，通常在调制晶体上外加直流偏压
23、偏压 来完成。（插入来完成。（插入1/41/4波片）波片）I/I0-V曲线选取工作点：选取工作点：若要得到光强随时间正弦变化的调制光若要得到光强随时间正弦变化的调制光,可使调制电压为：可使调制电压为：则有：则有：式中，式中，可在光路中插入可在光路中插入波晶片，取代波晶片，取代 则只需在晶体上加调制电压则只需在晶体上加调制电压就可得到正弦调制光强。就可得到正弦调制光强。的关系曲线的关系曲线 强度调制器小结：l入射光分解为感应主轴方向的两个传播模；入射光分解为感应主轴方向的两个传播模；l找出相位延迟和外加电压（电场）的关系；找出相位延迟和外加电压（电场）的关系；l加入检偏器得到输出光强随外加电压变
24、化，实现加入检偏器得到输出光强随外加电压变化，实现强度调制；强度调制；l加入加入1/4波片提供固定波片提供固定“偏置偏置”，以得到线性调，以得到线性调制。制。l优点:l纵向:结构较简单,工作稳定,不会受到自然双折射的影响l横向:可通过调节d/l 使半波电压降低到约几百伏l缺点：l纵向：半波电压太高，调制频率较大时会产生较大的功率损耗l横向：存在由自然双折射引起的相位延迟，且随温度的变化而漂移，导致调制器不能正常工作是声音、图像、数据电信号，是声音、图像、数据电信号，若若则有则有泡克尔斯（泡克尔斯（PockelsPockels）电光调制器线性好，）电光调制器线性好，性能稳定，可得到很高的调制频率
25、。性能稳定，可得到很高的调制频率。三、电光相位调制三、电光相位调制在电光效应装置在电光效应装置图图2.62.6、图、图2.72.7中，中，若使起若使起偏器透光方向偏器透光方向N N1 1与双轴晶体的其中一个光与双轴晶体的其中一个光轴平行，轴平行，则仅是一个线偏振光通过晶体，则仅是一个线偏振光通过晶体，其位相被电信号调制。其位相被电信号调制。在右图在右图中中，若，若 Y Y偏振光的偏振光的折射率折射率，在晶体入射面处光场为在晶体入射面处光场为 则光通过晶体后的光场：则光通过晶体后的光场：式中，式中，略去常数相位因子：略去常数相位因子：则则可见，该光波的位相因子受电压可见，该光波的位相因子受电压U
26、影响。影响。设设U为正为正弦弦调制电压调制电压 令令则有：则有：可见，该输出光波的位相受到电信号的调制。可见，该输出光波的位相受到电信号的调制。四、电光调制的频率特性四、电光调制的频率特性 实际应用中，需要电光调制器达到高的实际应用中，需要电光调制器达到高的调制频率和足够宽的调制带宽。调制频率和足够宽的调制带宽。影响调制影响调制频率和调制带宽的主要因素为：频率和调制带宽的主要因素为：1.1.光在晶体中的传输时间光在晶体中的传输时间前面对电光调制的分析，均认为调制信号频率远远低于光波频率前面对电光调制的分析，均认为调制信号频率远远低于光波频率(也就是调制信号波长远远大于光波波长也就是调制信号波长
27、远远大于光波波长)，并且远大于晶体的长度，并且远大于晶体的长度L，因而在光波通过晶体，因而在光波通过晶体L的渡越时间的渡越时间 内，调制信号电场在晶体内，调制信号电场在晶体各处的分布是均匀的，则光波在各部位所获得的相位延迟也都相同，各处的分布是均匀的，则光波在各部位所获得的相位延迟也都相同，即光波在任一时刻不会受到不同强度或反向的调制电场的作用。在即光波在任一时刻不会受到不同强度或反向的调制电场的作用。在这种情况下，装有电极的调制晶体可以等效为一个这种情况下，装有电极的调制晶体可以等效为一个电容电容即可以看即可以看成是电路中的一个集总元件，通常称为集总参量调制器。集总参量成是电路中的一个集总元
28、件，通常称为集总参量调制器。集总参量调制器的频率特性主要受外电路参数的影响。调制器的频率特性主要受外电路参数的影响。但当调制频率很高时，在但当调制频率很高时，在 的时间内，外电场的时间内，外电场会发生可观的变化。光通过晶体的不同部位时，会发生可观的变化。光通过晶体的不同部位时，其相位延迟不同，其相位延迟不同，这就限制了调制频率。这就限制了调制频率。调制波与光波以相同速调制波与光波以相同速度在晶体中传播，调制度在晶体中传播，调制频率可达几个频率可达几个 。为了适应高频率宽频带为了适应高频率宽频带调制信号的要求，采用调制信号的要求，采用行波调制器。行波调制器。调制带宽仅在调制带宽仅在0附近的有限频
29、带内。附近的有限频带内。2.2.晶体谐振电路的带宽晶体谐振电路的带宽实用中，电光调制器构成谐振电实用中，电光调制器构成谐振电路：路：五、光波导调制器五、光波导调制器晶体制作的电光调制器属于体调制器，需要施加晶体制作的电光调制器属于体调制器，需要施加相当高的电压，才能实现电光调制。相当高的电压，才能实现电光调制。光波导调制器可以把光场限制在很小的区域里，光波导调制器可以把光场限制在很小的区域里，从而大大降低所需要的调制电压和调制功率。从而大大降低所需要的调制电压和调制功率。光波导宽度光波导宽度d 极极窄，远小于长度窄，远小于长度L。采用横向电采用横向电光调制，半波电光调制，半波电压可为几伏。压可
30、为几伏。调制频率可达调制频率可达100GHz100GHz。相位调制器相位调制器M-ZM-Z干涉型强度调制器干涉型强度调制器定向耦合器型强度调制器定向耦合器型强度调制器在高速光通信中有在高速光通信中有很好的应用价值很好的应用价值 研究动向：研究动向：用聚合物来用聚合物来形成各向异形成各向异性材料。性材料。2.3 2.3 声光调制声光调制利用超声波引利用超声波引起介质折射率起介质折射率变化而产生的变化而产生的光调制。光调制。一、声光效应一、声光效应适用于单色光源适用于单色光源驱动电源驱动电源电电-声换能器声换能器声光介质声光介质 形成声光栅，栅距形成声光栅，栅距 声光效应分为两种类型：声光效应分为
31、两种类型：入射光波被声光栅衍射，衍射光的强度、频率、入射光波被声光栅衍射，衍射光的强度、频率、方向等都随超声场变化。这就是声光效应。方向等都随超声场变化。这就是声光效应。拉曼拉曼-奈斯衍射奈斯衍射 布拉格衍射布拉格衍射只有零级、只有零级、1 1级衍射光级衍射光产生多级衍射光产生多级衍射光 拉曼拉曼-纳斯衍射纳斯衍射产生拉曼产生拉曼-纳斯衍射的条件：纳斯衍射的条件：当超声波频率较低，光当超声波频率较低，光波平行于声波面入射，声光互作用长度波平行于声波面入射，声光互作用长度L较短时，在较短时，在光波通过介质的时间内，折射率的变化可以忽略不光波通过介质的时间内，折射率的变化可以忽略不计，则声光介质可
32、近似看作为相对静止的计，则声光介质可近似看作为相对静止的“平面相平面相位栅位栅”。拉曼拉曼-纳斯衍射的特点纳斯衍射的特点：由出射波阵面上各子波源发：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出的次波将发生相干作用，形成与入射方向对称分布的布的多级衍射光多级衍射光。各级衍射的方位角为（最大值的位置）各级衍射的方位角为（最大值的位置）：各级衍射光的强度为：各级衍射光的强度为：衍射效率为：衍射效率为：附加相位延迟因子附加相位延迟因子附加相位延迟因子附加相位延迟因子布喇格衍射布喇格衍射产生布喇格衍射条件：产生布喇格衍射条件：声波频率较高，声光作用长度声波频率较高，声光作用长度
33、L较大，光束与声波波面间以一定的角度斜入射，介较大，光束与声波波面间以一定的角度斜入射，介质具有质具有“体光栅体光栅”的性质。的性质。布喇格衍射的特点：布喇格衍射的特点：衍射光各高级次衍射光将互相抵衍射光各高级次衍射光将互相抵消，只出现消，只出现0级和级和+1级（或级（或 1级）衍射光级）衍射光。布拉格衍射条件：布拉格衍射条件：零级、零级、1 1级衍射光强：级衍射光强：式中，式中，为声光为声光效应产效应产生的附生的附加相移：加相移：有应用价值的有应用价值的是一级衍射光是一级衍射光 式中，式中，为声为声光介质的品质因数。光介质的品质因数。应选择应选择 大的材料，大的材料，常用声光介质见表常用声光
34、介质见表2.22.2。衍射效率为：衍射效率为：M2为声光材料的品质因数，为声光材料的品质因数，Ps超声功率；超声功率；H为换能器的宽为换能器的宽度，度，L为换能器的长度。同样的改变超声功率，也可以达到为换能器的长度。同样的改变超声功率，也可以达到改变一级衍射光的强度。改变一级衍射光的强度。附加相位延迟因子附加相位延迟因子声光调制声光调制(Acousto-optical Modulate)一一.声光调制器的工作原理声光调制器的工作原理 声光调制是利用声光效应将信息加载于光频载波上声光调制是利用声光效应将信息加载于光频载波上的一种物理过程。的一种物理过程。调制信号是以电信号调制信号是以电信号(调辐
35、调辐)形式作用于电形式作用于电-声换能声换能器上，电器上，电-声换能器将相应的电信号转化为变化的超声声换能器将相应的电信号转化为变化的超声场，当光波通过声光介质时，由于声光作用，使光载场，当光波通过声光介质时，由于声光作用，使光载波受到调制而成为波受到调制而成为“携带携带”信息的强度调制波。信息的强度调制波。声光调制器结构声光调制器结构吸声装置吸声装置Laser inLaser out 声光体调制器是由声光介质、电声光体调制器是由声光介质、电声换能器、吸声声换能器、吸声(或反射或反射)装置及驱动电源等所组成。装置及驱动电源等所组成。(1)声光介质，声光介质是声光互作用的声光介质，声光介质是声光
36、互作用的场所。当一束光通过变化的超声场时，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。化的性质，就可以制成光强度调制器。(2)电电声换能器声换能器(又称超声发生器又称超声发生器)(3)吸声吸声(或反射或反射)装置装置(放置在超声源的对面放置在超声源的对面)。(4)驱动电源驱动电源 它用以产生调制电信号施它用以产生调制电信号施加于电加于电声换能器的两端电极上，驱动声换能器
37、的两端电极上，驱动声光调制器声光调制器(换能器换能器)工作。工作。声光调制是利用声光效应将信息加载于光频载波上的一种物理声光调制是利用声光效应将信息加载于光频载波上的一种物理过程。调制信号是以电信号过程。调制信号是以电信号(调辐调辐)形式作用于电声换能器上而转形式作用于电声换能器上而转化为以电信号形式变化的超声场，当光波通过声光介质时，由于化为以电信号形式变化的超声场，当光波通过声光介质时，由于声光作用，使光载波受到调制而成为声光作用，使光载波受到调制而成为“携带携带”信息的强度调制波。信息的强度调制波。由前面分析可知，无论是拉曼由前面分析可知，无论是拉曼纳斯衍射，还是布拉格衍射，纳斯衍射，还
38、是布拉格衍射，其衍射效率均与其衍射效率均与附加相位延迟因子附加相位延迟因子2nL有关，而其中声有关，而其中声致折射率差致折射率差n正比于弹性应变幅值正比于弹性应变幅值S，而，而S声功率声功率Ps，故当声波故当声波场受到信号的调制使声波振幅随之变化，则衍射光强也将随之做场受到信号的调制使声波振幅随之变化，则衍射光强也将随之做相应的变化。相应的变化。(1)、拉曼、拉曼-纳斯型声光调制器纳斯型声光调制器 调制器的工作原理如图调制器的工作原理如图1(a)所示，工作声源频率低于所示，工作声源频率低于10MHz。只限于低频工作，带宽较小。只限于低频工作，带宽较小。入射光入射光 衍射光衍射光 调制信号调制信
39、号图图1 拉曼拉曼-纳斯型声光调制器纳斯型声光调制器对于拉曼对于拉曼纳斯型衍射，工作声频率低于纳斯型衍射，工作声频率低于10MHz，所确定的相，所确定的相互作用长度互作用长度L小；当工作频率较高时，最大允许长度太小，要求小；当工作频率较高时，最大允许长度太小，要求的声功率很高，因此的声功率很高，因此拉曼拉曼纳斯型声光调制器只限于低频工作纳斯型声光调制器只限于低频工作，只具有有限的带宽。只具有有限的带宽。(2)、布喇格型声光调制器、布喇格型声光调制器 布喇格型声光调制器工作原理如图布喇格型声光调制器工作原理如图2所示。所示。衍射光衍射光调制信号调制信号入射光入射光图图2 声光调制器布喇格型声光调
40、制器布喇格型的关系曲线的关系曲线选取工作点：选取工作点：若使若使 作正弦变化，作正弦变化，频率为频率为，则有则有布拉格声光调制特性曲线与电光强度调制相似。由布拉格声光调制特性曲线与电光强度调制相似。由图可以看出：衍射效率图可以看出：衍射效率与超声功率与超声功率Ps只是非线性只是非线性调制曲线形式，为了使调制不发生畸变，则需加调制曲线形式，为了使调制不发生畸变，则需加超声偏置（类似于电光调制中的偏压超声偏置（类似于电光调制中的偏压V/4=V/2），），使其工作在线性较好的区域。使其工作在线性较好的区域。布拉格衍射必须使入射光束以布拉格角布拉格衍射必须使入射光束以布拉格角B入射，同时在入射，同时在
41、相对于声波阵面对称方向接收衍射光束时，才能得到满意相对于声波阵面对称方向接收衍射光束时，才能得到满意的结果。布拉格衍射由于效率高，且调制带宽较宽，故多的结果。布拉格衍射由于效率高，且调制带宽较宽，故多被采用。被采用。要实现光强调制，超声波应是高频调幅波，则要实现光强调制，超声波应是高频调幅波，则电电-声换能器上驱动信号应是高频调幅电信号声换能器上驱动信号应是高频调幅电信号.高频振荡（高频振荡（s）激发声光栅，产激发声光栅，产生生布拉格衍射。布拉格衍射。振幅调制振幅调制（）使衍射）使衍射光成为调制光。光成为调制光。将图像、声音信号加载到高频振荡（将图像、声音信号加载到高频振荡（s）上，）上，则衍
42、射光就携带了图像、声音信号。则衍射光就携带了图像、声音信号。三、声光调制器的调制带宽三、声光调制器的调制带宽声波以比光波慢得多的速度在介质中传播。因此声波以比光波慢得多的速度在介质中传播。因此声波通过宽度为声波通过宽度为b b的光束需要较长的渡越时间的光束需要较长的渡越时间：这就对最高的调制频率带来限制：这就对最高的调制频率带来限制：为了提高为了提高l选取选取 大的声光介质：大的声光介质：l用细束（用细束（b b小）激光小）激光l用较高的用较高的s 声光调制器的调制带宽不如电光调制器声光调制器的调制带宽不如电光调制器,但它光能但它光能利用率高利用率高,所需要的驱动功率小。在激光打印机、所需要的
43、驱动功率小。在激光打印机、激光印刷设备中得到广泛应用。激光印刷设备中得到广泛应用。2.4 2.4 磁光调制磁光调制一、磁光效应一、磁光效应磁场也能使晶体产生光各向磁场也能使晶体产生光各向异性，称为磁光效应。异性，称为磁光效应。1.1.法拉第效应法拉第效应光波通过磁光介质、平行于磁场方向传播，光波通过磁光介质、平行于磁场方向传播，线偏振光的偏振面发生旋转的现象。线偏振光的偏振面发生旋转的现象。磁致旋光磁致旋光K:VerdetK:Verdet常数，与常数，与材料、波材料、波长相关。长相关。非互易性：非互易性：磁致旋光的方向决定于磁场方向磁致旋光的方向决定于磁场方向 而与光传播方向无关。而与光传播方
44、向无关。以顺着磁场方向为基准，以顺着磁场方向为基准，光矢右旋（光矢右旋（K0K0），介质为正旋体，），介质为正旋体，光矢左旋（光矢左旋（K0K0），介质为负旋体。），介质为负旋体。非互易性的直接应用是光隔离器。非互易性的直接应用是光隔离器。在法拉第效应装置中，设计在法拉第效应装置中，设计N N1 1、N N2 2成成4545角，线圈角，线圈电流产生的磁场造成旋光角电流产生的磁场造成旋光角4545。入射线偏振光的光矢右旋入射线偏振光的光矢右旋4545，刚好通过检偏器，刚好通过检偏器，光从左向右导通光从左向右导通；若光从检偏器端射入，线偏若光从检偏器端射入，线偏振光通过介质仍然右旋振光通过介质仍然
45、右旋4545，光矢与，光矢与N N1 1方向垂直，方向垂直，不能通过起偏器，从右向左不导通。不能通过起偏器，从右向左不导通。光隔离器是光通信系统中必不可少的器件。光隔离器是光通信系统中必不可少的器件。2.2.克尔效应克尔效应反射光的偏振方向随磁场改变的现象反射光的偏振方向随磁场改变的现象。克尔效应主要应用在光磁存储中。克尔效应主要应用在光磁存储中。光波在铁磁材料表面反射时，光波在铁磁材料表面反射时，铁磁材料（如铁磁材料（如YIGYIG）的）的磁化强度比非铁磁介质强得多。磁化强度比非铁磁介质强得多。二、磁光调制二、磁光调制：饱和磁饱和磁化强度化强度 基于法拉第效应。基于法拉第效应。随电信号随电信号改变，从而使出射光被调制。改变，从而使出射光被调制。目前只在红外波段（目前只在红外波段（1 15 5）mm实现，调制频率不高。实现，调制频率不高。