光电子技术(声光调制和声光偏转).ppt

4 6声光调制的物理基础 4 6 1超声波的概念4 6 2声光效应4 6 3拉曼 奈斯衍射4 6 4布拉格衍射4 6 5声光调制4 6 6声光偏转 4 6 1超声波的概念 世界因为有了声音而充满欢乐 我们平常听到的各种声音只是声音世界中的一部分 范围在20赫兹至20000赫兹之间 而20000赫兹以上的声音是超声 尽管听不到 却很有意义 超声波有两个特点 一个是能量大 一个是沿直线传播 它的应用就是按照这两个特点展开的 理论研究表明 在振幅相同的情况下 一个物体振动的能量跟振动频率的二次方成正比 超声波在介质中传播时 介质质点振动的频率很高 因而能量很大 超声波的应用1 蝙蝠非常善于使用超声 它们用喉头发出20千赫至120千赫之间的超声啾鸣 用耳朵接收障碍物的反射回波 以这个回波来判断猎物的距离 方位 形状和速度 那份灵巧和精确让人瞠目 模仿蝙蝠使用超声的道理 人类发明了声纳这种装在船只及潜艇上的装置 靠超声在水中传播时碰到物体产生回波 来测定距离 确定位置 能发现对手 或保证航行安全 合成孔径声纳可以用于海底测量 水下考古和搜寻水下失落物体等 尤其可以进行高分辨海底测绘 对数字地球研究具有重要的意义 可拦截鱼雷的脉冲声波发射系统 在探测到敌方发射的鱼雷后 这些声波转换器可在瞬间发射出高能脉冲声波 其强度足以摧毁或者提前引爆被锁定的鱼雷 由于是在水下 声波拦截鱼雷时的速度可达1 5千米 秒 超声波的应用2 超声不仅是信息载体 还是一种能量形式 在传播时可以进行能量的转换 超声波加湿器就是一个很简单的例子 它的关键部件是压电陶瓷 通电之后 把高频电转化为超声 使很强的超声波从下方发出 在水面的局部小区域内 声能转化为机械能 引发起强大的机械力 把水 打碎 并喷射出来 形成水雾 加湿空气 在我国北方干燥的冬季 如果把超声波通入水罐中 剧烈的振动会使罐中的水破碎成许多小雾滴 再用小风扇把雾滴吹入室内 就可以增加室内空气的湿度 这就是超声波加湿器的原理 对于咽喉炎 气管炎等疾病 药力很难达到患病的部位 利用加湿器的原理 把药液雾化 让病人吸入 能够增进疗效 利用超声波的巨大能量还可以把人体内的结石击碎 超声波的应用3 超声清洗 把表面生锈和沾有脏污的物体浸泡在水一类的清洗液中 送入一定量的超声 使污物从工件表面脱落下来 金银珠宝配带久了 失去光泽 变得难以入目 化学清洗会损伤饰物表面 而超声清洗可以整旧如新取得理想的效果 超声悬浮是借助超声产生的强大声场将颗粒或液滴托起 在密闭装置内进行实验 保持超纯度 超精度 超声马达是利用压电陶瓷把电信号转化成超声振动 产生一定的力 带动马达工作 平稳 速度可调 不怕磁干扰 小的可用于相机的变焦镜头 大的甚至可以代替现有的汽车马达 超声焊接是利用超声的高频振动 把两个不同的物件连接在一起 因为它基本不发热 不变形 在微电子工业中用来焊接集成电路芯片 尤其是它能焊接某些特殊的稀有金属 在核工业 空间技术等领域可以开发更多的用途 超声波的应用4 4 6声光调制的物理基础 4 6 1超声波的概念4 6 2声光效应4 6 3拉曼 奈斯衍射4 6 4布拉格衍射4 6 5声光调制4 6 6声光偏转 4 6 2声光效应 晶体光学性质的变化 不仅可以通过外加电场的作用实现 外力的作用也能够造成折射率的改变 弹光效应 由于外力作用而引起介质光学性质变化的现象 声波作为一种弹性波 在晶体中传播时 会造成介质密度的疏密变化 使得介质的折射率分布也随之改变 声光效应 由于声波作用而引起光学性质变化的现象 声光效应是弹光效应的一种 声光效应与电光效应 相似之处 晶体在受到外部作用后 才出现光学性质的变化 具体表现为折射率的分布发生改变 区别 电光效应中 外加电场的加入是起因 声光效应中 造成折射率变化的因素是应变或应力 4 6声光调制的物理基础 4 6 1超声波的概念4 6 2声光效应4 6 3拉曼 奈斯衍射4 6 4布拉格衍射4 6 5声光调制4 6 6声光偏转 4 6 3拉曼 奈斯衍射 1 声光衍射的定性描述 在晶体中传播的超声波 会造成晶体的局部压缩或伸长 这种由于机械应力引起的弹光效应使晶体的介电常量发生变化 因而折射率也发生变化 2 在介质中形成了周期性的有不同折射率的间隔层 这些层以声速运动 层间保持声波波长一半 s 2 的距离 当光通过这种分层结构时 就发生衍射 引起光强度 频率和方向随超声场的变化 声光衍射 根据光波波长 声波波长 以及相互作用区域的长度等因素 将声光衍射分为 拉曼 奈斯衍射布拉格衍射 4 6 3拉曼 奈斯衍射 1 在低声频和声波束的宽度 即声光相互作用 L不大的情况下且k ks时可以将声光介质看成一块普通的位相光栅 2 光束在介质中传播时 由于折射率随介质密度的变化 使得出射光波的波前已不再是平面波的波面 而是波浪状曲面 波面上的各点作为次波源 发出子波在空间相互干涉而形成多级衍射条纹 这种类似于普通面光栅的作用而产生的声光衍射 就称为拉曼 奈斯衍射 4 6 3拉曼 奈斯衍射 对于垂直入射情形 相对于0度方向的衍射极值角度方向由公式 入射光 声波阵面 式中 m为第m级衍射极值的偏角 4 6 3拉曼 奈斯衍射 拉曼 奈斯衍射时 入射光在相互作用区内部的传播方向仍保持直线方向 而与折射率变化有关的介质的光学不均匀性只对通过声柱的光的相位发生影响 声波的作用可归结为形成以声速运动的 周期等于声波周期的相位光栅 因而这种衍射遵循普通相位光栅的衍射定律 4 6声光调制的物理基础 4 6 1超声波的概念4 6 2声光效应4 6 3拉曼 奈斯衍射4 6 4布拉格衍射1 布拉格条件2 声光衍射的量子解释3 声光相互作用的理论分析4 6 5声光调制4 6 6声光偏转 4 6 4布拉格衍射 在高声频和相互作用长度较大的情况下 并且光束与声波波面成一定角度入射时 发生布拉格衍射 其衍射光谱只出现零级和 1级或零级和 1级 如果参数选择合适 超声功率足够强 入射光几乎可以全部转移到 1级或 1级上 因为布拉格衍射有着较高的转换效率 所以它比拉曼 奈斯衍射应用更为广泛 4 6 4布拉格衍射1 布拉格条件 同一镜面上任意两点的贡献应同相 图4 16 4 6 4布拉格衍射1 布拉格条件 相邻两镜面的反射光的相位应该相同 图4 17 布拉格衍射公式 拉曼 奈斯衍射与布拉格衍射的界定 拉曼 奈斯衍射与布拉格衍射的判断依据声光相互作用特征长度L0来表示 拉曼 奈斯衍射 布拉格衍射 4 6 4布拉格衍射2 声光衍射的量子解释 根据光和声的波粒二象性 可得知许多声波对光都具有产生布喇格衍射的特性 据此模型 具有传播矢量k 频率为 的一道光束可以看成是由动量 k为和能量 h 2 h为普郎克常数 的粒子束 即光子 组成 同样 声波也可视为由动量 ks和能量 s的粒子 声子 所组成 图4 16所示的衍射可看成是光子与声子的碰撞 每一次碰撞引起一个入射光子和一个声子消失 同时沿散射光方向产生一个新的光子 4 6 4布拉格衍射2 声光衍射的量子解释 能量守恒 决定了衍射光的频率 动量守恒 决定了衍射波的方向 布拉格衍射波矢图 4 6 4布拉格衍射3 声光相互作用的理论分析 电场对电极化矢量的影响 折射率变化对电极化矢量的影响 由麦氏方程 有 上式对入射波和衍射波均成立 故可写成两个标量方程 入射光 衍射光 4 6 4布拉格衍射3 声光相互作用的理论分析 设该波动方程有如下形式的解 将解带入标量方程 再注意到能量守恒和动量守恒 可得到耦合波方程 4 6 4布拉格衍射3 声光相互作用的理论分析 在考虑到只有频率为 i光束入射 且Ed 0 0时 最终结果为 重要结论 1 对任意的ri rd 光场的总能量是守恒的 2 当时 入射波将全部转化成衍射波 这就是布拉格衍射最大的优点 正是这一优点使得布拉格声光调制器件得到大量的应用 4 6声光调制的物理基础 4 6 1超声波的概念4 6 2声光效应4 6 3拉曼 奈斯衍射4 6 4布拉格衍射4 6 5声光调制4 6 6声光偏转 4 6 5声光调制 衍射效率的定义为 衍射光强为 考虑到声光材料的具体参数 可表示为 最终决定衍射光强的是声波的强度Is 通过变化声强可以达到调制衍射光强的目的 4 6 5声光调制 从原理上讲 声光效应即可用于光强调制 也可以用于频率调制 由于衍射光的频率不再与入射光相同 其改变量决定于声波频率 因而可以通过控制声波驱动电信号来实现频率调制 但是 由于声波频率远低于光波频率 频率调制的意义不大 4 6 5声光调制拉曼 奈斯声光调制器 4 6 5声光调制布拉格声光调制器 声光调制器的应用 电视机接收到的图像和声音是由电视台将声光信号调制为电信号发射出来的 电视机接收到电信号再经过解调 还原成图像和声音 激光打印机激光器射出的光束也载有数据信息 这些信息的转换过程也类似于电视机信息传递过程 只是此过程是由声光调制器转换的 声光调制器的调制频率可达30MHz左右 特性稳定 因此大多数的激光打印机都采用这种调制器 声光调制器的工作原理是利用声光效应所产生的布雷格衍射的特点 实现对激光束传播方向的控制 激光束欲完成图文信息的映像任务 必须用图文信息进行调制 恰如电视台将图像及声音信号调制到无线电波上去 方能在电视机中解调出图像与声音信号一样 4 6声光调制的物理基础 4 6 1超声波的概念4 6 2声光效应4 6 3拉曼 奈斯衍射4 6 4布拉格衍射4 6 5声光调制4 6 6声光偏转 4 6 6声光偏转 布拉格衍射的前提是动量守恒 4 6 6声光偏转 声波频率 波矢 的改变将引起动量三角形的失配 结果是衍射光波的大小几乎不变 但其方向将向动量失配最小的方向偏转 偏转角为 通常定义绝对偏转角 同光束发散角的比值为声光偏转器的可分辨光斑数目N 是声波穿过光束直径所花的时间 通常称为偏转器的偏转时间 当声波从频率 1变为 2时 由于声波传播需要一定的时间 开始时只是在声波源附近的声波频率为 2 因此只有此处的光波衍射角由 1变为 2 只有经过 后 整个光束截面上的声波才能都变为频率 2 衍射光束才能全部偏转到 2方向 相应的偏转速度是1 讨论 偏转角能否任意加大 不能靠增大来增加偏转角度 否则将使器件偏离布喇格条件甚远 引起衍射效率急剧下降 失去实用意义 复习 声光效应声光衍射拉曼 奈斯衍射布拉格衍射布拉格条件声光衍射的量子解释声光调制拉曼 奈斯声光调制器布拉格声光调制器声光偏转 声光器件最新动态 美国国家健康研究院 NIH 的一个研究小组使用Brimrose公司的声光可调滤波器 AOTF 作为核心部件 成功地研制出用于生物医学研究的拉曼成像显微镜 声光偏转器件 4 7磁光调制 磁光效应 线偏振光沿着光轴方向传播时 不会产生光的双折射 但在某些晶体中 却存在一种特殊的现象 光在传播了一段距离后 偏振面旋转了一定的角度 这就是旋光现象 一些物质 包括晶体以及一些各向同性的气体 液体 本身就具有这种特性 称为天然旋光物质 也有些晶体 在受到磁场作用时 会表现出旋光特性 具有人为旋光性质 1845年法拉第首先发现了这个现象 因而也称为法拉第效应 4 7磁光调制 磁光效应 法拉第效应 V称为费尔德常数 与物质的性质 温度以及光的频率 波长 有关 在一定物质中不论光是沿磁场方向或逆磁场方向传播 振动面的转向都一样 只由磁场方向决定 若转向与磁场方向成右手螺旋关系 该物质的V取为正值 即 0 这样 光来回传播同样距离后 其振动面的转角等于单程转角的两倍 V 0左旋 V 0右旋 4 7磁光调制 磁光效应 控制电压 即可控制旋光角度 从而控制第二个偏振片后的光强 最终实现光调制 589 3nm时的V值 磁光材料与天然旋光效应的区别 旋光性物质偏振面的转动角度与光束传播方向有关光束返回通过天然旋光介质时 旋光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 磁光材料与传播方向无关 仅与外磁场的方向有关 光束返回通过法拉第旋光介质时 旋转角度增加一倍 正向通过 天然物质的旋光性 正向通过 反向通过 法拉第效应中的旋光性 正向通过 反向通过 磁光材料与天然旋光效应的区别 法拉第效应的这种特性使人们能够采用将光束多次反射进法拉第器件中 从而得到大的旋角度 磁光调制器的优点是 工作所需功率低 受温度影响小 缺点是仅适用于红外波段 实际上 磁光器件更多地用在光隔离器 光存储器等方面 磁光效应的应用 显示器件 一些大分子或长链分子的溶液 在局部范围内由于相互作用 会有规则地排列液晶 从而产生类似于晶体的各向异性 设计薄层的厚度使得 不加电压时 通光 透射光由于分子扭曲 自然产生90度的旋转 加电压时 通光强度随电压的变化而变化 磁光效应的应用 光盘的读写 磁光效应的应用 磁光开关 磁光开关原理是利用法拉第旋光效应 通过外加磁场的改变来改变磁光晶体对入射偏振光偏振面的作用 从而达到切换光路的效果 相对于传统的机械式光开关 它具有开关速度快 稳定性高等优势 相对于其他的非机械式光开关 它又具有驱动电压低 串扰小等优势 磁光开关设计原理 法拉第效应线偏振光沿外加磁场方向通过介质时偏振面发生旋转 晶体的选择 1 磁旋光率要尽可能的大 2 磁光晶体的外加饱和磁场要尽可能的小 3 磁光晶体的各项参数的温度稳定性能 要求饱和外场强 法拉第旋转角以及插入损耗等等在 10 100 内保持稳定 方案利用1偏振棱镜 2garnet以及3反射光路 由输入光纤出射的光经过双折射晶体后分为偏振方向相互垂直的o e光 如果两块garnet加正向电压时 透射光偏振面正向旋转45 再加上正转45 膜的作用 一共正向旋转90 这时o e光偏振态互换 结果这两束光经过偏振棱镜的对角线时分别反射一次 透射一次 IN1 OUT2 IN2 OUT1 如果两块garnet加负电压时 透射光偏振面反向旋转45 再加上正转45 膜的作用 偏振面没有发生旋转 这时o e偏振态没有改变 结果这两束光经过偏振棱镜的对角线时透射两次或是反射两次 INT1 OUT1 INT2 OUT2 法拉第 1917 1867 1791年9月22日生在一个手工工人家庭 家里人没有特别的文化 而且颇为贫穷 法拉第的父亲是一个铁匠 法拉第小时候受到的学校教育是很差的 在大约1830年以前 法拉第主要是一位化学家 法拉第成就最大的时期是1830至1839年 当时他是对现代电学发现作出贡献的第一流科学家 法拉第被公认为最伟大的 自然哲学家 之一 法拉第的伟大成功也许部分地正是由于他所生活的时代 丰富的想象力加上足智多谋的实验才能 工作热情和相应的耐性 使他能够迅速地分辨假象 统观一切 他具有哲学思想 他在几何学和空间上的洞察力 以及善于持久思考的能力 正好补偿了他数学上的不足 法拉第的发明 铁合金研究 1818 1824 氯和碳的化合物 1820 电磁转动 1821 气体液化 1823 1845 光学玻璃 1825 1831 苯的发明 1825 电磁感应现象 1831 不同来源的电的同一性 1832 电化学分解 1832年起 静电学 电介质 1835年起 气体放电 1835年 光 电和磁 1845年起 抗磁性 1845年起 射线振动思想 1846年起 重力和电 1849年起 时间和磁性 1857年起 大功率薄片激光器 天基激光器阵列 美国 太空帆船之光子帆船 既然直接利用太阳辐射驱动帆船行不通 那么用高亮度 高方向性的激光束推进飞船行吗 由于激光束的方向性很好 它可以从太阳系中射出 一直推动宇宙飞船到遥远的太空深处 有人设想 在太阳系中建立强大的激光发射装置 配合高强度的大型光帆 使得将飞船加速到光速的1 3左右时 所须加速时间约为一年 此后切断激光束 飞船转入惯性飞行 当想让它停下时 则把光帆的外圈逐次断开 形成同心圆状的三部分 把其中最外侧的部分移至飞船的前部 同时再次发射强大的激光束 于是飞船外侧的光帆便被笼罩在强光之中 使它获得制动力 当然 来自宇宙飞船身后的激光束仍旧照射在光帆上构成推进力 但是宇宙飞船外侧的光帆面积是内侧两个光帆面积的9倍 制动力将比推进力起到更大的作用 在返回前 中间的环状光帆则将与飞船主体脱离 此时它仍在反射激光束 于是 便使飞船获得与来路相反的推进力 得以飞返地球