Chap5光电子技术基础第五章

第五章光调制技术----光信息系统的信号加载与控制5.1晶体光学基础5.2光在晶体中的传播5.3电光调制5.4声光调制5.5磁光调制•光调制–通过改变光波的振幅、强度、相位、频率或偏振等参数，使传播的光波携带信息的过程。•功能–在光通信系统中实现从电信号到光信号的转换•目的–对所需处理的信号或被传输的信息作某种形式的变换，使之便于理解、传输和检测•光调制器：–利用光和物质相互作用所产生的效应来控制光波的强度或相位的器件二、光调制分类调制位置调制光波的参量内调制(直接调制)外调制(间接调制)电光调制声光调制磁光调制振幅调制相位调制偏振调制物理效应调制形式模拟调制数字调制脉冲调制其他(如:电吸收调制)•内调制–将调制信号直接注入激光器，从而改变输出激光的参数的调制方式•外调制–在激光谐振腔以外的光路上放置调制器，将待传输信号加载到调制器上，使输出光的特性随信号而变的调制方式1875年，英国的Kerr发现了电光效应中的Kerr效应，利用这一效应制作的Kerr盒是一种用途广泛的电光调制器；利用KDP晶体在电场作用下的双折射效应也可以制作电光调制器；利用Pokels效应也可以制作电光调制器；利用超声波作用下介质折射率周期性变化的声光效应可以制作声光调制器；利用法拉第效应可以制作磁光调制器与光隔离器。利用强磁场中激光的Zeeman效应可以进行超细光谱分析与激光稳频。5.1晶体光学基础•空间点阵学说与空间群理论结合，形成了近代关于晶体几何结构的完备理论。5.1.1晶体结构与基本概念晶体–组成物质的微粒（原子、分子或离子）或微粒群在空间按照一定的规则周期性排列形成的一种晶态固体。基元–构成晶体的无限重复的微粒或粒子群，是晶体的基本结构单元，称为基元。晶体实物图晶体构造示意图(a)金刚石结构（Ge、Si晶体）(b)闪锌矿结构（GaAs晶体）•晶格–点阵：•基元用结点代替，则晶体可看成一些相同结点在空间有规则周期性无限分布形成的集合，称点阵。–晶格•通过点阵中的结点可以做许多平行的直线簇和平行的平面簇，构成一种格子结构，称为晶格，–格点•晶格中的结点就成为晶格中格点。•晶胞–晶格中以一个格点为顶点、其上发出的三个基本平移矢量a、b、c为三个相邻棱边，形成一个平行六面体——晶体的基本重复单元：晶体学原胞，简称晶胞–平移矢量代表晶胞棱边的长与取向，晶棱长即平移矢量应为该取向上的最小重复长度，称为晶胞的周期。•选择原则–所选择的平行六面体应该能够反映整个空间点阵的对称性，以及平行六面体的对称性应与空间点阵的对称性一致。–平行六面体上棱与棱之间的直角关系应力求最多。–平行六面体的体积应最小c(z)b(y)a(x)1ki•晶胞常数–用来描述晶体学原胞的三个棱长a0、b0、c0以及它们之间的夹角、、这六个参数•晶格常数与晶轴–a0、b0、c0称为晶体原胞的晶格常数，其方向代表晶轴方向。c(z)b(y)a(x)1ki•晶面晶体点阵可从各个方向划分成许多组平行且等距离的平行点阵，这些平行点阵所处的平面称为晶面，晶面方向由密勒指数（hkl）标记，h、k、l是互质的整数，其比有关系：其中，、、为晶面与晶轴相交的截距。lkhlkh1:1:1::'h'k'l七大晶系、十四种布拉菲格子、三大晶族•七大晶系–根据晶胞常数的特点，可将晶体分为七种类型•布拉菲格子–每一晶系由可以按照节点在其中的分布规律再细分成四种可能形式的晶格。布拉菲证明这28种形式中，只能有14种独立的空间格子–低级晶族：无高次旋转轴的晶体–中级晶族：有一个高次旋转轴的晶体–高级晶族：有一个以上高次旋转对称轴的晶体•配位数：–晶格点阵中某一格点相邻的格点数。–面心立方格子配位数12，体心立方格子为14。•原子致密度：–晶体内原子所占体积和晶胞总体积之比。–面心立方格子致密度0.74，体心立方格子0.68。5.1.2晶体的基本性质1.自限性指晶体自发形成封闭凸几何多面体的能力。晶面、晶棱、顶点间关系：晶面数+顶点数=晶棱数+22.晶面角守恒同一品种晶体不论其外形如何，晶面间交角总是确定的3.均匀性指晶体在不同位置上具有相同的物理性质。晶格中所有格点都在三维空间以原胞为单位周期性排列——每个原胞周围的格点情况均一样——均匀性4.各向异性–指晶体的宏观性质随观察方向的不同而不同。–本质：晶体沿不同晶轴方向晶格常数不同，即：晶格中各向格点的排列方式不同–典型表现：解理：晶体受力后破裂总沿一个确定方向发生双折射：当一束光射入某些晶体时，出射光会分为两束偏振方向不同的光，向两个方向折射。–标志晶体中光波传播的相速度与光的偏振状态与光的传播方向有关。对于一定的传播方向，一般有两个可能的相速度值，它们相应于光波的两种互相正交的偏振态。5.对称性指晶体的几何形态由于晶体内部结构在某些不同方向或在同一方向的不同位置存在着有规则的重复性。6.最小内能性（长程有序性）晶体内部规则排列的质点间引力与斥力平衡，所有质点均处于平衡位置，形成一种规则排列的长程有序结构。此时，无论使质点间的距离增大或减小都将导致相对势能的增加，因而晶体具有最小的内能。—体现：晶体具有一定的熔点、凝固点5.2光在晶体中的传播5.2.1晶体的极化率与介电系数介质极化强度P与入射光强度E：晶体在不同方向上的极化率不同，P不再与E同向，表现为极化率成为二阶张量，具有九个分量：EP0333231232221131211于是，•各向异性晶体中P每一个分量都与E的三个分量存在着线性关系，P不再与E同向；•坐标系确定后均为常数，的大小取决于晶体的结构和三个坐标轴相对于晶格结构的选择情况。坐标系选择任意，但被描述物理性质客观存在，不因坐标系而变化——选择坐标系为晶体的主介电坐标系，则张量非对角元素为零：1122330000003213332312322211312110321EEEPPPjijiEP0ijij332211000000•由电磁场物质方程得PEED0333231232221131211ijij10与都是对称二阶张量，、简化下标得：jiijjiij345426561在主介电坐标系中上式简化为：321000000低级晶族中级晶族高级晶族zyxzyxzxx000000zyxxxx000000zyx000000对称性不同zyx000000直角坐标系中，直观表示为：晶体宏观对称性对应于张量分量个数和大小的制约关系，可使表达简化相应各向异性晶体折射率主介电坐标系下，考虑简化下标及对称性ijijn101111n2221n3331n5.2.2晶体光学特性的几何表示在晶体介质中，E的波动方程为：若则在直角坐标系中22022221ttcPEEE0E)(rktie0)(0)(0)(222320222220222120zyxyyzxxzzzyyzxxxyzzxyyxxzyEkknkEkkEkkEkkEkknkEkkEkkEkkEkknk0222320222220222120yxyzxzzyzxxyzxyxzykknkkkkkkkkknkkkkkkkkknk有解条件：k与传播方向的关系，k空间三维曲面，特性：•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矢大小。•由两层曲面组成。说明当非偏振光或任意方向的偏振光沿晶体传播时，光波由以不同相速度传播的两个彼此独立的正交偏振组成。3.通过原点和两层曲面的公共点(一般4个，或2个、0个)连线方向传播的两个波有相同相速度——光轴波矢面图•1.波矢面2.折射率椭球——确定两个允许传输波的偏振方向及其相速度直角主介电坐标系中，两波面沿三主轴分量表示为通式代表一个椭球，称折射率椭球，是晶体各向异性的几何表示，有性质：•其中任一矢径的方向，表示光波电位移矢量D的一个振动方向；其长度表示D沿矢径方向振动的光波的折射率。•对于任意给定的波矢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，两个轴长度、为相应折射率。1232222212nznynxInIInzyxzyxOO2.折射率椭球•低级晶族–折射率椭球具有≠≠，其波阵面截面图有两条光轴，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，晶体的波矢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–==，两个波阵面重合，晶体不再呈现双折射。•线性情况下，其特性与各向同性晶体一样，•非线性情况下出现高阶介电张量，不同于各向同性晶体。1n2n3n1n2n3n2.折射率椭球——三大晶族折射率椭球2.折射率椭球——单轴晶体•取光轴为z轴，沿x、y轴的主折射率相等，说明xoy平面内传播光D、E方向一致，与各向同性介质中光波性质一样，称寻常光，相应主折射率为寻常折射率，记为no沿光轴的主折射率称非常折射率，记为ne•正单轴晶体,折射率椭球为长椭圆形(橄榄型)，•负单轴晶体，折射率椭球为扁椭圆形(药片型)。1222222eoonznynxoennoennzyxzyxOO(a)正单轴晶体(b)负单轴晶体图5-3单轴晶体折射率椭球2.折射率椭球——单轴晶体2.折射率椭球——单轴晶体折射率椭球特性1xoy平面与椭球截面是一个圆，其半径为no。——表明当光波沿着z轴方向传播时，即ki平行于光轴时，只存在一种折射率no，光波电位移矢量D可取垂直于Z轴的任何方向，于是，不产生双折射。z轴即单轴晶体光轴。2xoz、yoz平面，或其它含z轴的椭球截面为一椭圆，其两半轴长度分别为、。——表明当光垂直于光轴入射(ki垂直于光轴，处于xoy平面内)时，可允许两个彼此正交的线偏振光传播，其中一个光波偏振方向平行于光轴、折射率为，另一光波偏振方向垂直于光轴、折射率为。onenenon2.折射率椭球——单轴晶体折射率椭球特性3当ki与光轴夹角为时，通过原点O垂直于ki的平面与椭球的截面为一椭圆，其长、短轴为允许的偏振方向，对应于两种本征光波：–寻常光：折射率及相速与无关，D、E方向一致，折射率no称寻常折射率–非常光：折射率ne()满足方程：22222sincos)(1eoennn折射率与相速与有关，D与E方向不一致3.折射率面——表示折射率随传播方向的变化•——与波矢面对应的有折射率面特性•折射率面上，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。•晶体–寻常光波的折射率面为球面–非常光波的折射率面是椭球面。–单轴晶体•寻常光波的折射率面为球面•非常光波的折射率面简化为旋转椭球面nkk03.折射率面——单轴晶体k-z平面与折射率面的交线(a)正单轴晶体(b)负单轴晶体“人眼型”“猫眼型”图5-4正负单轴晶体k-z平面与折射率面的交线zynokD()ne()no()zyOD()knono()ne5.2.3晶体的双折射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——介电晶体各向异性的最重要、最直观的结果之一图5-5正单轴晶体界面双折射的波矢量rkrkrkeoieeooi221sinsinsinkkkeeooinnn221sinsinsin单轴晶体中，对应不同的界面相对于光轴取向(背景)关系下双折射情况示意图。沿某个方