第五章光调制技术单倍间距

第五章光调制技术——光信息系统的信号加载与控制1.高级晶族、中级晶族、低级晶族的折射率椭球各有何特点？低级晶族的折射率椭球具有123nnn，因而在其波振面截面图上可以发现有两条光轴，这种晶体称为双轴晶体；中级晶族三个主折射率中有两个主折射率相等，一般取相等的两折射率为1n、2n，于是123nnn，这种晶体仅有一条光轴，称为单轴晶体，单轴晶体的波氏面由一个球面和一个旋转椭球面组成，旋转椭球面的旋转轴即为光轴；高级晶族123nnn，其两个波振面重合，晶体不再呈现双折射，在线性情况下，其特性与各向同性晶体一样，但是在非线性下，会出现高阶介电张量，其情况就与各向同性晶体不同。2.什么叫双折射现象？如何确定单轴与双轴晶体的光轴？所谓双折射现象是指光在各向异性介电晶体中传播时，分为两束偏折方向不同的光，向两个方向折射。确定晶体的光轴可由波氏面确定，波氏面由两层曲面组成。两层曲面通常有四个公共点，通过原点和这些公共点连线方向传播的两个波有相同的相速度，这些方向就是光轴的方向。3.说明波氏图、折射率图及折射率椭球之间的区别；简述折射率椭球的性质。波氏面图是由波氏K与传播方向的关系决定的一个K空间的三维曲面，在这个表面上的任意给定点离开原点的距离等于沿着该方向传播的光波波氏大小。这一波氏面由两层曲面组成。与波氏面图对应的就有折射率面，它表示折射率随传播方向的变化，在这一表面上，任意给定点离开原点的距离等于沿着这个方向传播的光波的折射率。折射率椭球是晶体光学各向异性的几何表示，也叫光率体。它可以确定两个允许传输波的偏振方向及其相速度。在直角主介电坐标系中，两个波面沿三个主轴的分量可用通式2222221231xyznnn表示。式中1n、2n、3n为沿三个主坐标轴的主折射率，在xyz主介电坐标系中常用xn、yn、zn来直观地表示。有性质：Ⅰ折射率椭球任一矢径的方向，表示光波电位移矢量D的一个方向。矢径长度表示D沿矢径方向振动的光波的折射率。Ⅱ对于任意给定的波氏k，利用折射率椭球可求光波D的偏振方向及相应折射率：通过原点作k的垂面，与折射率椭球相交得一椭圆截面，则这一椭圆截面的两个轴即为两个偏振允许方向，两个轴的长度n、n为相应的折射率，对应的相速度为cn、cn。4.给定折射率椭球和光波波氏方向，如何确定主折射率方向？通过原点作k的垂面，与折射率椭球相交得一椭圆截面，则这一椭圆截面的两个轴即为两个偏振允许方向，两个轴的长度n、n为相应的折射率，对应的相速度为cn、cn。.5.晶体波正单轴晶体的折射率on、en的大小关系如何？写出其折射率椭球表达式，并画出正单轴氏面截面图。正单轴晶体oenn，其折射率椭球方程为2222221ooexyznnn.6.简述电光衍射与声光衍射发生的物理机制。通常我们认为一个材料的介电常量与外场无关，为恒值，但理论和试验均证明，介电常量是随电场强度而变化的，只不过一般情况下外加电场较弱，我们可以作弱场近似，认为介电常量与电场强度无关；但当光介质的两端所加外加电场较强时，介质内的电子分布状态将发生变化，以致介质的极化强度以及折射率也各向异性地发生变化。此外，这种效应迟豫时间很短，仅有1110s量级，外加电场地施加或撤销导致地折射变化或恢复瞬间即可完成。声波的应变场也能改变某些类型晶体地折射率，由于声波的周期性，会引起折射率的周期性变化，产生类似于光栅的光学结构，超声波引起晶体的应变场，使射入晶体中的光波被这种弹性波衍射。.7.简述磁光偏转与天然双折射之间的区别。天然旋光效应与磁光效应的本质区别在于：光束返回通过天然旋光介质时，旋转角度与正向入射时相反，因而往返通过介质的总效果是偏转角为零；而由于磁致旋光方向与磁场方向有关，而与光的传播方向无关，因而光往返通过法拉第旋光物质时，偏转角度增加一倍。.8.什么叫声光调制？分哪几种类型？其判据是什么？声波的应变场也能改变某些类型晶体地折射率，由于声波的周期性，会引起折射率的周期性变化，产生类似于光栅的光学结构，从而对入射的光波产生调制，这种调制称为声光调制。按照超声波频率的高低和光波相对声场的入射角度及两者相互作用的长度，将声光衍射分为拉曼－奈斯衍射和布拉格衍射两类。拉曼－奈斯衍射与布拉格衍射的判断依据用声光相互作用特征长度0L来表示20L拉曼－奈斯衍射012LL布拉格衍射02LL过渡区00122LLL9.用镜面反射模型分析形成声光布拉格衍射的条件。参考图5-17。为简单起见，暂且不考虑这些反射镜的移动。在某一给定方向上发生衍射的必要条件是：在同一镜面上的各点对该方向衍射有贡献的反射波必须同相，以产生相长干涉。考虑图中的C和B两点，欲在d角方向产生衍射，则要求光程差ACBD是光波波长的整数倍，即(coscos)idzm(0,1,2,m)显然，只有当0m时，同一镜面上的所有点才能同时满足这一条件，由此得id即要求入射角等于衍射角。除此以外，还要求从光波穿过的任意两等价声波波阵面的反射光沿该方向同相叠加。在图中，欲使从相隔的两个声波波阵面上的反射波形成同一光波波面，其光程差AOBO必须等于光波波长的整数倍，在id条件下，即有2sinBm（0,1,2,m）当一定时，若i角满足1级（m=1）衍射光条件，就不可能出现其他高级衍射光。于是，在式2sinBm中取m=1,便得到布拉格衍射条件2sinB式中Bid即称为布拉格角。.10.若给KDP晶体加以x向电场，试求其折射率椭球表达式。给KDP晶体加以x向电场，则230EE,10EE,代入新折射率椭球方程得02020212341121BxByBzEyz设新主轴''xoy相对于旧主轴xoy旋转了角度，则新旧坐标系之间有关系''cossin()()()sincosyyzz，将此式代入上式中，并整理得0'20202'20202'21134111341100''23411(cossinsin2)(sincossin2)[()sin22cos2]1BxBBEyBBEzBBEyz要使上述方程主轴化，则需令交叉项系数为零，即0023411()sin22cos20BBE解之得41100232tan2EBB由于0041123EBB，因而4110023sintanEBBcos1将之代入椭球方程，得新主轴坐标系''xoy中的折射率椭球方程变为0'20200'20200'241141112323230000232322[()(2)][()(2)]1EEBxBBByBBBzBBBB11.要想用KDP晶体做成z向加电场，45x’向偏振光沿y’向传播的横向电光强度调制器，推导折射率椭球表达式及输出光强表达式，画出调制器原理图，说明调制原理，并画出其调制特性曲线。外加电场平行于光轴也就是E的三个分量中只有3E不为零，即120EE30EE于是新折射率椭球为02020212363321BxByBzExy设新主轴相对旧主轴xyz旋转了角度，则新旧坐标系之间有关系''cossin()()()sincosxxyy将此式代入上式并整理得0'20'20'2''163326333633(2sincos)(2sincos)2cos21BExBEyBzExy要使'''xyz、、成为新主轴，则需令交叉项为零，即cos20，由此可得045，也就是说施加z向电场时，在新主轴坐标系'''xyz中，折射率椭球方程变为0'20'20'2163326333(2)(2)1BExBEyBz根据lB与n的关系，并考虑线性电光效应引起的折射率引起的折射率变化相对于原折射率应是一个无穷小量，可近似得：'3006332xnnnE'3006332ynnnE'eznn外加电场方向沿Z轴方向，晶体的主轴x,y轴也将旋转045至'x，'y方向，入射光沿'y轴方向入射并与z轴垂直，偏振方向如图所示，沿x轴。设入射光经起偏片后强度为20E，于是0'2(0)(0)2xzEEE经过长l的晶体后，'x，z两偏振分量间有相位延迟，于是0'1'0022()22xjknljxElEeEe102()2jjzElEee再经过4波片，又引入2的相位延迟12'()02(,)42jxElEe12()()202(,)42jjzElEee于是检偏器出射光总场强为'4(,)xEl、(,)4zEl沿垂直于x方向分量的总和12''()0221()(,)(,)(1)24242jjzxElElElEee出射光强*2220012sin[1cos()]222oIEEEE于是出射光强oI与入射光强iI之比为11[1cos()](1sin)222oiII又''''300633300630()[()]2()()2ooexzxzooeoenknnlknEnlklnVknnlVknnldV30632odknlV将此式代入上式，得：01{1sin[())]}2ooeiIVknnlIV在KDP晶体横向调制器中，自然双折射的影响会导致调制光发生畸变，甚至使调制器不能正常工作。在实际应用中，主要采用一种“组合调制器”的结构予以补偿。例如：两块晶体的z轴和'y轴互相反相平行排列，中间放置2波片。当线偏振光沿'y轴方向入射第一块晶体时，电矢量分解为沿z轴方向的1e光和沿'x方向的1o光两个分量，当它们经过第一块晶体后，两束光的相位差：'316321()2zoeozxnnnEl经过2波片后，两束光的偏振方向各旋转090，经过第二块晶体后，原来的1e光变成了2o光，1o光变成了2e光，则它们经过第二块晶体后，其相位差'326321()2zeoozxnnnEl于是，通过两块晶体之后的总相位差为：123632oVdnl因此，若两块晶体的尺寸、性能及受外界影响完全相同，则自然的双折射影响即可得到补偿。根据上式，当时，半波电压为3063odVknl将此式代入上式，得：11sin()]2[oiIVIV由于调制电压幅值一般远小于半波电压，即VV，因而上式可近似为112()oiIVIV设输入电压为正弦调制电压，即sinmVVt式中，mV为调制电压幅值，为调制频率，于是有112(sin)oimVIIVt画出oiII与V的关系曲线参看教材附图。12.某晶体在550nm时的12635.510/mV，无外场时的主折射率为1.58，求其半波电压。0330636312676.52ooVVknn13.一个拉曼－奈斯声光调制器，晶体折射率为n=1.46，声波速度35.9510/Vms,频率为10MHz，光波波长1.55m，证明最大声光耦合长度为2max22nVL，并求该晶体的最大声光耦合长度。由拉曼－奈斯衍射判断依据得，212L，故最大耦合长度222max2()11222VnVLn将数据代入得：232max26721.46(5.9510)0.1667221.5510(10)nVLm注：此题解答中与题目证明结果不一样。.14.有一声光偏转器，以重火石玻璃为声光介质，声波中心频率为100MHz，带宽是40MHz，入射光束直径是1cm，查得声速33.110/Vms，求偏转器的偏转时间和分辨点数N。26031103.2103.110sV663.2104010128N注：此题没有用上中心频率为100MHz条件。第六章光电探测技术1.