《光电子技术基础》1（第二版）朱京平ppt课件.ppt

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1、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磁光调制第二章光辐射的调制调制的内容：是指改变光波振幅、强度、相位或频率、偏振等参数，使之携带信息的过程。调制的目的：光信息系统的信号加载与控制调制的方法：传统方法：调制盘（对光辐射强度进行调制）；现代方法：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。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率、相位等参数的调制。9/17/202129/17/20213二、光调制分类调制位置调制光波的

2、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

3、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。5.2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：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

4、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：由电磁场物质方程得与都是对称二阶张量，、简化下标得：在主介电坐标系中上式简化为：根据光的电磁理论，光在晶体中的传播特性仍然由麦克斯韦方程组描述。1.麦克斯韦方程组在均匀、不导电、非磁性的各向异性介质(晶体)中，若没有自由电荷存在，麦克斯韦方程组为：物质方程为为简单起见，我们只讨论单色平面光波在晶体中的传播特性。这样处理，可不考虑介质的色散特性，同时，对于任意复杂的光波，因为光场可以通过傅里叶变换分解为许多不同频率的单色平面光波的叠加，所以也不

5、失其普遍性。2.光波在晶体中传播特性的一般描述（1）.单色平面光波在晶体中的传播特性A.晶体中光电磁波的结构——波动方程B.能量密度根据电磁能量密度公式有：图4-1平面光波的电磁结构C.相速度和光线速度相速度vp：光线速度vr：相速度与光线速度之间的关系：图4-2vp与vr的关系(AB表示波阵面)(2).光波在晶体中传播特性的描述A.晶体光学的基本方程——广义本征值方程由矢量叉乘的恒等式得到：即A×(B×C)=B(A·C)-C(A·B)D=ε0n2［E-k(k·E)］图4-3E⊥和D⊥的定义B.菲涅耳方程①.菲涅耳方程的第一种

6、形式——波法线菲涅耳方程(即波法线方程)②.菲涅耳方程的第二种形式③.菲涅耳方程的第三种形式图4-4与给定的k相应的D、E和s④.菲涅耳方程的第四种形式——光线菲涅耳方程(光线方程)3.光在几类特殊晶体中的传播规律上面从麦克斯韦方程组出发，直接推出了光波在晶体中传播的各向异性特性，并未涉及具体晶体的光学性质。下面，结合几类特殊晶体的具体光学特性，从晶体光学的基本方程出发，讨论光波在其中传播的具体规律。(1).各向同性介质或立方晶体各向同性介质或立方晶体的主介电系数ε1=ε2=ε3=n02根据前面讨论的有关确定晶体中光波传播特

7、性的思路，将波法线菲涅耳方程通分、整理,得到：代入ε1=ε2=ε3=n02，并注意到k21+k22+k23=1，该式简化为：由此得到重根n′=n″=n0。这就是说，在各向同性介质或立方晶体中，沿任意方向传播的光波折射率都等于主折射率n0，或者说，光波折射率与传播方向无关。进一步，把n′=n″=n0的结果代入(4-42)式，可以得到三个完全相同的关系式：k1E1+k2E2+k3E3=0图4-5各向同性介质中D,E,k,s的关系(2).单轴晶体单轴晶体的主介电系数为：其中，ne>no的晶体，称为正单轴晶体；ne

8、晶体。A.两种特许线偏振光波(本征模式)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