光辐射的调制
第3章
§3 光辐射的调制?光辐射的调制
将信息加载到光波的过程
?主要内容
3.1光辐射调制原理
3.2电光调制
3.3声光调制
3.4磁光调制
3.5直接调制
§3.2 电光调制
共有五个方面的内容
⑥电光效应
⑥电光强度调制
⑥电光相位调制
⑥电光调制器设计考虑
⑥电光器件
§3.2.1 电光效应
电光效应
⑥介质在外加直流或低频电场作用下，由于极化而出现
光学特性（各向异性）的改变，进而影响到光波在介质中的传播特性的性质
⑥本质：某些晶体在光波电场与外电场的共同作用下出
现非线性的极化，从而引起介质折射率变化
可以是静电场、射
频场，直至微波场，
但不考虑频率更高
甚至光频的电磁场
主要有四个方面的内容
1.电场作用下材料的非线性极化
2.电光系数张量
3.电场作用下折射率椭球的形变
4.电光相位延迟
1.电场作用下材料的非线性极化
?
介质受光频电场（入射光场）和射频电场（外加电场，低频或直流）的
共同作用，应同时考虑电子的受迫振动和离子的受迫振动；（位能函数，
运动方程）
+++==232'E E dE
dD βαεε斜率，代表介质材料对电场响应的大小? E 为光频时，相当于光频折射率；? E 为射频时，相当于射频介电系数；
?同时存在射频和光频时，相当于工作点设在，并对光频产生响应。
'ε'εo E '
εE 线性
射频
光频
D
E
o
E E D ~?考虑关系，（为简化，设外加电
场// 晶体某主轴，则，标量关系）；
+++=3
2
E E E D βαεD//E 若外加电场不在主轴
方向，是张量
'
εP
E D +=0ε∑
?=i
i V
P
P E
P L L χε0=l
e p i
=
2.电光系数张量
定义：用材料的相对介电抗渗张量的变化量来表示介质对外场的响应
()()l
k ijkl k ijk ij ij ij E E s E b E b b +=-=?γ0加射频场
未加射频场
射频
射频
其中第一项：线性电光效应（Pockels 效应，1893年），
为线性电光系数，三阶张量；
只有非中心对称晶体才有，可查表得到
ijk γ第二项：二次电光效应（Kerr 效应，1875年），
为二次电光系数，四阶张量；
任何介质
ijkl s 2
1n
b =
电光系数张量矩阵
?????????
??????????
?6362
61535251432441332331232221131211
γγγγγγγγγγγγγγγγγγ=??????????????
?
?
?
???????6252
42
32
22
12)1()1()1
()1()1()1(n n n n n n ????
?
?????z y x E E E 电光系数张量矩阵
?不同的晶体有不同的系数矩阵元?可通过查表得到
KDP 晶体的电光张量
???????
??
?
??????????6352
410
000
00000000
0γγγ=
][ij γV m /106.812
5241-?==γγ其中（p59 表2-3）V m /106.1012
63-?=γ
3.折射率椭球的形变
研究电光效应
耦合波分析法
折射率椭球法
未加外场时：
()
0ij ij b b =在主坐标系中：
()()()1
0002
332
222
11=++z b y b x b 21x n 21y
n 21z
n 折射率椭球：
1
=j i ij x x b 任意坐标系
方程的展开式？
加外场后：
()()()
E b b E b ij ij ij ?+=01
2221111213232
33222222112=+?+?+???? ???++?
??
? ???++???? ???+xy b xz b yz b z b n y b n x b n z y x 在主坐标系中
=???
???ξ
A P b n
b r ?????ε主折射率
z
y x n n n
via: https://www.doczj.com/doc/d613923356.html,/imagesdb/bk/XT/WL/WLgx122-t1%E6%8A%98%E5%B0%84%E7%8E%87%E6%A4%AD%E7%90%
via: https://www.doczj.com/doc/d613923356.html,/hbook/4/7-15-41-p3.html返回
),,(z y x 一般，在原主坐标系中，不是对角张量（存在交叉项），需要寻找新的主坐标系()E b ij ?)
',','(z y x 找新坐标系
（线性代数）找本征值，本征矢——构成新的坐标系
（解析几何）通过坐标变换，消去交叉项
使用加电场后的新折射率椭球，按照通常研究光在晶体中
传播的方法研究光的传播规律
1
2221111213232
33222222112=+?+?+???? ???++?
??
? ???++???? ???+xy b xz b yz b z b n y b n x b n z y x
线性电光效应以KDP 晶体为例，，查表，找出矩阵的形式()m 24ijk γl k ijkl k ijk ij E E s E b +=?γ??
??
???
??
?
??????????=??????????????????????????????=??????????????????????????z y x z y x
E E E E E E b b b b b b 6341416341
41654321000γγγγγγ??
???????
?
???????????? 折射率椭球方程（在原主坐标系中）：
教材59表2-3()
122211634141222
22
=+++++xy E zx E yz E z n y x n z y x e
o γγγ加电场后增加的部分
未加电场的原有部分
1
2221111213232
33222222112=+?+?+???? ???++???
? ???++???? ???+xy b xz b yz b z b n y b n x b n z y x
?若0
,===y x z E E E E ()
121163222
22
=+++xy E z n y x n z e
o γ方程关于对称，将坐
标系绕轴转角：
（坐标变换法）y x ,
z α代入原方程，整理得到：
1''2cos 21'2sin 1'2sin 1632
226322632=++???
? ??-+???? ??+y x E z n y E n x E n z e z o z o αγαγαγ令,
02cos =α即
1
2sin ,45==αα
'
cos 'sin 'sin 'cos 'z z y x y y x x =+=-=αααα新
老
α
x
y
x’y’()
122211634141222
22
=+++++xy E zx E yz E z n y x n z y x e
o γγγ
11'1'12
226322632=+???
? ??-+???? ??+z n y E n x E n e z o z o γγ2'1
x n 2'1y n 2'
1z n 新主折射率（新的椭球方程）：
z
o x E n n 633
'2
1γ-=?z
o o y z
o o x E n n n E n n n +=-=633
'633
'2
121γγ结论：（）
?坐标系绕z 轴转，该角度与电场大小无关；
?折射率变化的大小是外场的函数；?
等值反号，单轴晶体变为双轴晶体。
0≠z E 45'',y x n n ??'
y '
x x
y
45
?
?
? ??-=?-=???
??233212121n d n dn dn n n d 通常很小，可把看作的微扰增量
63γz E 63γ21
o
n
4.电光相位延迟
从上式可以看出
?垂直于光轴方向的电场分量其电光效应只与有关?平行于光轴方向的电场分量其电光效应只与有关
63γ41γ（仍是以KDP 晶体为例）
()
12221163414122
2
22=+++++xy E zx E yz E z n y x n z y x e
o γγγ
实际应用中，电光晶体总是沿着相对光轴的某些特殊方向切割而成，外电场也是沿着某一主轴的方向加到晶体上。按照外电场方向与通光方向的关系，可分为两种运用方式?纵向应用：电场方向与通光方向一致
?横向应用：电场方向与通光方向垂直
下面以KDP晶体为例来具体说明这两种运用方式
x
y
'
y '
x
45
以KDP 晶体为例，沿z 轴加电场，光束沿z 轴进入晶体
沿晶体Z 轴加电场后，其折射率椭球发生偏转
如果光波沿Z 方向传播，则其双折射特性取决于光率体与垂直于Z 轴的平面相交所形成的椭圆
未加电场时的圆截面
沿Z 轴加电场时的椭圆截面
截面
0'=z 光率体图
e
z z
o o y z
o o x n n E n n n E n n n =+=-='633
'633
'2
121γγ
以KDP 晶体为例，沿z 轴加电场，光束沿z 轴进入晶体
'y 当一束线偏振光沿z 轴进入晶体，且沿方向偏振时
进入晶体后可以分解为沿和方向的两个垂直偏振分量'x x 与夹角'x x ?
45由于二者的折射率不同, 则当它们经过长度L 后相位落后分别为
)
2
1(22633z o o y n
E n n L L n y γλπλπ?+==''
因此，当这两个光波穿过晶体后将产生一个相位差
V 2 E 2633z 633'
γλ
πγλπ???o o n n n Ln x y ==-=?')
2
1(22633z o o x n
E n n L L n x γλπλπ?-==''
第八章 光波调制 1、什么是光辐射的调制？根据被调制的载波参数不同，分别有什么调制方式？ 2、什么是“外调制”、“内调制”？ 3、晶体的主轴坐标系如何定义？ 4、“电光效应”、“线性电光效应”和“非线性电光效应”如何定义？ 5、在利用电光效应的过程中，加电场的方式通常有哪两种方式？给出其具体的 概念。 6、KDP 晶体沿Z 轴引入电场后，主轴坐标系的偏转角数值是否和电场强弱有 关？其折射率改变量大小是否和电场强度数值有关？ 7、在LiNbO 3晶体主轴坐标系中沿x 方向引入电场x E ，在原主轴坐标系中写出 引入电场后的折射率椭球方程。引入电场后其主轴坐标系方向是否发生改变？ 8、（1）在KDP 晶体的纵向电光效应中，晶体的半波电压如何定义？半波电压 由晶体的哪些参数决定？ （2）在选择晶体制作电光强度调制器时，是选择πV 数值大的材料好，还是 选择πV 数值小的材料好？为什么？ 9、 （1）画出利用KDP 晶体一次电光效应的纵向电光强度调制器的装置图，说 明各器件的作用。 （2） 说明调制器的工作原理。 （3） 为实现线性调制，常用的方法有哪两种？ （4） 若在KDP 晶体上加调制电压t U U m ωsin =，U 在线性区内，写出强 度调制后输出光强的表达式。 10、电光强度调制器的“消光比”如何定义？ 11、纵向电光调制和横向电光调制相比，主要区别有哪些？ 12、画出利用KDP 晶体实现电光相位调制的装置图，并说明其工作原理。 13、（1）简述‘拉曼-纳斯衍射’和‘布喇格衍射’的发生条件、衍射过程及衍 射光特点。 （2）为实现“声光强度调制”，利用哪种声光衍射效应较为理想？ （3）画出声光强度调制器的结构图，说明其工作原理。 （4）在布喇格衍射过程中，声光衍射效率如何定义？
光电子技术复习知识点 备注： 1、考试时间：初步定于2013年1月5日，最终以网上公布为准。 2、以下内容打“*”的可以只做一般了解。 3、以下知识点请结合教材、课件和作业重点复习，请勿投机！ 第1章光辐射、发光源与光传播基本定律 1.1. 电磁波谱与光辐射； 电磁波的基本特性 1.2. 辐射度学与光度学基本知识； 辐射能、辐射通量、辐射出射度、辐射强度、辐射亮度、辐射照度的概念、单位、意义 单色辐射出射度余弦辐射体余弦辐射体的亮度和辐射出射度 光量、光通量、光出射度、发光强度、光亮度、光照度的概念、单位、意义 光度量和辐射度量之间的关系单色光视效能最大单色光视效能单色光视效率函数1.3. 热辐射基本定律 黑体基尔霍夫辐射定律 普朗克公式反映的物理规律 1.4 激光原理 激光器的基本结构 产生激光的必要条件 谐振腔的作用 激光的横模和纵模 1.5 典型激光器 典型激光器及其特点、应用 红宝石激光器的系统结构、能级结构、原理 半导体激光器、半导体发光二极管的特点 1.6 光频电磁波的基本理论和定律 相速度、群速度及其关系 第2章光辐射的传播 2.1 光波在大气中的传播 朗伯定律，大气衰减的原因，瑞利散射定律，气溶胶的散射特点 什么是大气湍流效应？ 2.2光波在电光晶体中的传播 泡克耳效应和克尔效应 折射率椭球，电光张量 KDP晶体在z方向施加电场时，其折射率椭球的变化分析 纵向电光效应的结构、相位变化特点、光的偏振特性变化特点 纵向电光效应的结构、相位变化特点、光的偏振特性变化特点 2.3 光波在声光晶体中的传播 声波在介质中传播的特点，声光相互作用类型 拉曼-纳斯衍射条件、特点，布拉格衍射条件、布拉格方程、布拉格角、布拉格衍射的
光辐射的调制 第3章
§3 光辐射的调制?光辐射的调制 将信息加载到光波的过程 ?主要内容 3.1光辐射调制原理 3.2电光调制 3.3声光调制 3.4磁光调制 3.5直接调制
§3.2 电光调制 共有五个方面的内容 ⑥电光效应 ⑥电光强度调制 ⑥电光相位调制 ⑥电光调制器设计考虑 ⑥电光器件
§3.2.1 电光效应 电光效应 ⑥介质在外加直流或低频电场作用下，由于极化而出现 光学特性（各向异性）的改变，进而影响到光波在介质中的传播特性的性质 ⑥本质：某些晶体在光波电场与外电场的共同作用下出 现非线性的极化，从而引起介质折射率变化 可以是静电场、射 频场，直至微波场， 但不考虑频率更高 甚至光频的电磁场
主要有四个方面的内容 1.电场作用下材料的非线性极化 2.电光系数张量 3.电场作用下折射率椭球的形变 4.电光相位延迟
1.电场作用下材料的非线性极化 ? 介质受光频电场（入射光场）和射频电场（外加电场，低频或直流）的 共同作用，应同时考虑电子的受迫振动和离子的受迫振动；（位能函数， 运动方程） +++==232'E E dE dD βαεε斜率，代表介质材料对电场响应的大小? E 为光频时，相当于光频折射率；? E 为射频时，相当于射频介电系数； ?同时存在射频和光频时，相当于工作点设在，并对光频产生响应。 'ε'εo E ' εE 线性 射频 光频 D E o E E D ~?考虑关系，（为简化，设外加电 场// 晶体某主轴，则，标量关系）； +++=3 2 E E E D βαεD//E 若外加电场不在主轴 方向，是张量 ' εP E D +=0ε∑ ?=i i V P P E P L L χε0=l e p i =