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1、火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去第五章第五章 光调制技术光调制技术-光信息系统光信息系统的信号加载与控制的信号加载与控制5.1晶体光学基础晶体光学基础5.2光在晶体中的传播光在晶体中的传播5.3电光调制电光调制5.4声光调制声光调制5.5磁光调制磁光调制火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去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。数，使传播的光波携带信息的
2、过程。功能功能在光通信系统中在光通信系统中实现从电信号到光信号的转换实现从电信号到光信号的转换目的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，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、传输和检测使之便于理解、传输和检测光调制器：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度或相位的器件火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去二、光调制分类调制位置调制位置调制位置调制位置调制光波的参量调制光波的参量调制光波的参量调制光波的参量内调
3、制内调制(直接调制直接调制)外调制外调制(间接调制间接调制)电光调制电光调制声光调制声光调制磁光调制磁光调制振幅调制振幅调制相位调制相位调制偏振调制偏振调制物理效应物理效应物理效应物理效应调制形式调制形式调制形式调制形式模拟调制模拟调制数字调制数字调制脉冲调制脉冲调制其他其他 (如如:电吸收调电吸收调制制)火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去内调制内调制将调制信号直接注入激光器，从而改变输出激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光的参数的调制方式外调制外调制在激光谐振腔以外的光路上放置调制器，在激光谐
4、振腔以外的光路上放置调制器，将待将待传输信号加载到调制器上，使输出光的特性随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信号而变的调制方式火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去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
5、光的Zeeman效应可以进行超细光谱分析与激光稳频。火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去5.1晶体光学基础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结构与基本概念晶体晶体组成物质的微粒（原子、分子或离子）或微粒群在空组成物质的微粒（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间按照一定的规则周期性排列形成的一种晶态固体。基元基元构成晶体的无限重复的微粒或粒子群，是晶体的基本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
6、元，称为基元。结构单元，称为基元。 火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去晶体实物图晶体实物图晶体构造示意图晶体构造示意图(a)金刚石结构（Ge、Si晶体）(b)(b)闪锌矿结构（GaAs晶体）火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去晶格晶格点阵：点阵：基元用结点代替，则晶体可看成一些相同结点在空基元用结点代替，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。间有规则周期性无限分布形成的集合，称点阵。晶格晶格通过点阵中的结点可以做许多平
7、行的直线簇和平行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，的平面簇，构成一种格子结构，称为晶格，格点格点晶格中的结点就成为晶格中格点。晶格中的结点就成为晶格中格点。 火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去晶胞晶胞晶格中以一个格点为顶点、其上发出的三个基本平移晶格中以一个格点为顶点、其上发出的三个基本平移矢量矢量a、b、c为三个相邻棱边，形成一个平行六面体为三个相邻棱边，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
8、的长与取向，晶棱长即平移矢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。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平行六面体的体积应最小c(z)b(y)a(x)1ki火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立
9、断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去晶胞常数晶胞常数用来描述晶体学原胞的三个棱长用来描述晶体学原胞的三个棱长a0、b0、c0以以及它们之间的夹角及它们之间的夹角 、 、 这这六个参数六个参数晶格常数与晶轴晶格常数与晶轴a0、b0、c0称为晶体原胞的晶格常数，其方向称为晶体原胞的晶格常数，其方向代表晶轴方向。代表晶轴方向。 c(z)b(y)a(x)1ki火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去晶面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）
10、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。火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去七大晶系、十四种布拉菲格子、三大晶族七大晶系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：低级晶族：无高次旋转轴的晶体中级晶族：中级晶族：有一个高次旋转轴的晶体高级晶族：高级晶族：有一个以上高次旋转对称轴的晶体火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立
11、断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去配位数：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：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。火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去5.1.2晶体的基本性质晶体的基本性质1.自限性自限性指晶体自发形成封闭凸几何多面体的能力。指晶体自发形成封闭凸几何多面体的能力。晶
12、面、晶棱、顶点间关系：晶面数晶面、晶棱、顶点间关系：晶面数+顶点数顶点数=晶棱数晶棱数+22.晶面角守恒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.均匀性均匀性指晶体在不同位置上具有相同的物理性质。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每个原胞周围的格点情况均一样均匀性均匀性火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去4.各向异性各向异性指
13、晶体的宏观性质随观察方向的不同而不同。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，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即：晶格中各向格点的排列方式不同典型表现：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。火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥
14、勇敢地冲出去5.对称性对称性指晶体的几何形态由于晶体内部结构在某些不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同方向或在同一方向的不同位置存在着有规则的重复性。的重复性。6.最小内能性（最小内能性（长程有序性长程有序性） 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。
15、具有最小的内能。 体现：晶体具有一定的熔点、凝固点体现：晶体具有一定的熔点、凝固点火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去5.2光在晶体中的传播光在晶体中的传播5.2.1晶体的极化率与介电系数晶体的极化率与介电系数 介质极化强度介质极化强度P与入射光强度与入射光强度 E： 晶体在不同方向上的极化率晶体在不同方向上的极化率 不同，不同，P不再与不再与E同向，同向， 表现为极化率表现为极化率 成为二阶张量，具有九个分量：成为二阶张量，具有九个分量：火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿
16、毛毯、湿被褥勇敢地冲出去于是，于是，各向异性晶体中各向异性晶体中P每一个分量都与每一个分量都与E的三个分量存在着线的三个分量存在着线性关系，性关系，P不再与不再与E同向；同向；坐标系确定后坐标系确定后 均为常数，均为常数， 的大小取决于晶体的结构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。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：，则张量非对角元素为零： 火灾袭来时要迅速疏散逃生，
17、不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去由电磁场物质方程由电磁场物质方程得得火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去 与与 都是对称二阶张量都是对称二阶张量，、 简化下标得简化下标得：在主介电坐标系中上式简化为在主介电坐标系中上式简化为：火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去低级晶族低级晶族中级晶族中级晶族高级晶族高级晶族对对称称性性不不同同直角坐标系中，直观表示为：直角坐标系中，直观表示为：晶体宏观对称性对应于张量
18、分量个数和大小的制约关系，可使表达简化晶体宏观对称性对应于张量分量个数和大小的制约关系，可使表达简化火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去相应各向异性晶体折射率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主介电坐标系下，考虑简化下标及对称性火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去5.2.2 晶体光学特性的几何表示晶体光学特性的几何表示在晶体介质中，在晶体介质中，E的波动方程为：的波动方程为：若若则在直角坐标系中则在直角坐标系中有解条件：有解条件
19、：火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去k与传播方向的关系，与传播方向的关系，k空间三维曲面，特性：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。矢大小。由两层曲面组成。由两层曲面组成。 说明当非偏振光或任意方向的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以不同相速度传播的两个彼此 独立的正交偏振组成。独立的正交偏振组成。3.通过原点和两层曲面的公共点通过原点和两
20、层曲面的公共点 (一般一般4个，或个，或2个、个、0个个)连线方连线方 向传播的两个波有相同相速度向传播的两个波有相同相速度 光轴光轴波矢面图波矢面图1. 波矢面波矢面火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去2. 折射率椭球折射率椭球确定两个允许传输波的偏振方向及其相速度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，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：是晶体各向异性的几何表示，有性质
21、：其中任一矢径的方向，表示光波电位移矢量其中任一矢径的方向，表示光波电位移矢量D的一个振的一个振动方向；其长度表示动方向；其长度表示D沿矢径方向振动的光波的折射率。沿矢径方向振动的光波的折射率。对于任意给定的波矢对于任意给定的波矢k，利用折射率椭球可求光波，利用折射率椭球可求光波D的偏的偏振方向及相应折射率：通过原点作振方向及相应折射率：通过原点作k的垂面，与折射率的垂面，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，两个轴长度两个偏振允许方向，两个轴长度 、 为相应折射率。为相应折射率。火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可
22、蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去zyxzyxOO2. 折射率椭球折射率椭球火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去低级晶族低级晶族折射率椭球具有折射率椭球具有 ，其波阵面截面图有两条光轴，其波阵面截面图有两条光轴，这种晶体称为双轴晶体这种晶体称为双轴晶体；中级晶族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；即为光轴；高
23、级晶族高级晶族 = = ，两个波阵面重合，晶体不再呈现双折射，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，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。非线性情况下出现高阶介电张量，不同于各向同性晶体。 2. 折射率椭球折射率椭球三大晶族折射率椭球三大晶族折射率椭球火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去2. 折射率椭球折射率椭球单轴晶体单轴晶体取光轴为取光轴为z轴，沿轴，沿x、y轴的主折射率相等，说明轴的主折射率相等，说明xoy平面平面内传播光内传播光D
24、、E方向一致，与各向同性介质中光波性质一方向一致，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，记为样，称寻常光，相应主折射率为寻常折射率，记为no 沿光沿光轴的主折射率称非常折射率，记为轴的主折射率称非常折射率，记为ne 正单轴晶体正单轴晶体 , 折射率椭球为长椭圆形折射率椭球为长椭圆形(橄榄型橄榄型)，负单轴晶体负单轴晶体 ，折射率椭球为扁椭圆形，折射率椭球为扁椭圆形(药片型药片型)。火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去zyxzyxOO (a)正单轴晶体 (b) 负单轴晶体图5-3 单轴晶体折射率晶
25、体折射率椭球球2. 折射率椭球折射率椭球单轴晶体单轴晶体火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去2. 折射率椭球折射率椭球单轴晶体折射率椭球特性单轴晶体折射率椭球特性1xoy平面与椭球截面是一个圆，其半径为平面与椭球截面是一个圆，其半径为no。表明当光波沿着表明当光波沿着z轴方向传播时，即轴方向传播时，即ki平行于光轴时，只平行于光轴时，只存在一种折射率存在一种折射率no，光波电位移矢量，光波电位移矢量D可取垂直于可取垂直于Z轴的轴的任何方向，于是，不产生双折射。任何方向，于是，不产生双折射。z轴即单轴晶体光轴。轴即单轴晶体光
26、轴。2xoz、yoz平面，或其它含平面，或其它含z轴的椭球截面为一椭圆，其轴的椭球截面为一椭圆，其两半轴长度分别为两半轴长度分别为 、 。表明当光垂直于光轴入射表明当光垂直于光轴入射(ki垂直于光轴，处于垂直于光轴，处于xoy平面平面内内)时，可允许两个彼此正交的线偏振光传播，其中一时，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、折射率为个光波偏振方向平行于光轴、折射率为 ，另一光波偏，另一光波偏振方向垂直于光轴、折射率为振方向垂直于光轴、折射率为 。 火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去2. 折射率
27、椭球折射率椭球单轴晶体折射率椭球特性单轴晶体折射率椭球特性3当当ki与光轴夹角为与光轴夹角为 时，通过原点时，通过原点O垂直于垂直于ki的的平面与椭球的截面为一椭圆，其长、短轴为允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：许的偏振方向，对应于两种本征光波：寻常光：折射率及相速与寻常光：折射率及相速与 无关，无关，D、E方向一致，方向一致，折射率折射率no称寻常折射率称寻常折射率非常光：折射率非常光：折射率ne( ) 满足方程：满足方程：折射率与相速与折射率与相速与 有关，有关，D与与E方向不一致方向不一致火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立
28、断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去3. 折射率面折射率面表示折射率随传播方向的变化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与波矢面对应的有折射率面特性特性折射率面上，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。向传播的光波的折射率。晶体晶体寻常光波的折射率面为球面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。非常光波的折射率面是椭球面。单轴晶体单轴晶体寻常光波的折射率面为球面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非常光波的折射率面简化为旋转椭球面 火灾袭来时要迅速疏散逃生，不
29、可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去3. 折射率面折射率面单轴晶体单轴晶体k-z平面与折射率面的交线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” 图图5-4 正负单轴晶体正负单轴晶体k-z平面与折射率面的交线平面与折射率面的交线zynokD( )ne( )no( )zyOD( )knono( )ne火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去5.2.3晶体的双折射晶体的双折射指光在各向异性介电晶体中传播时，分为两束偏指光在各向异性介电晶体中传播时，分为两束偏振
30、方向不同的光，向两个方向折射振方向不同的光，向两个方向折射介电晶体各向异性的最重要、最直观的结果之一介电晶体各向异性的最重要、最直观的结果之一图5-5 正正单轴晶体界面双折射的波矢量晶体界面双折射的波矢量火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去单轴晶体中，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。火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去沿某个方向沿某个方向k传播的光其双折射率定义为与传播的光其双折射率定义为与k垂直的平面内垂直的平面内两个本征
31、偏振的折射率两个本征偏振的折射率 、 之差之差单轴晶体单轴晶体 越大，则沿该向传播的光双折射现象越明显越大，则沿该向传播的光双折射现象越明显 利用晶体的双折射可以制作偏振片利用晶体的双折射可以制作偏振片光波从单轴晶体光波从单轴晶体n1内部以角内部以角 射向晶体与光疏媒质射向晶体与光疏媒质n2的界面，取的界面，取入射面垂直于光轴，于是：入射面垂直于光轴，于是：以负单轴晶体为例，则入射角满足以负单轴晶体为例，则入射角满足 时，寻常光将发时，寻常光将发生全内反射，而非常光将发生折射。由于寻常光波生全内反射，而非常光将发生折射。由于寻常光波D光轴，非常光光轴，非常光D光轴，于是由于晶体双折射就产生了平
32、行光轴全偏振的折射波光轴，于是由于晶体双折射就产生了平行光轴全偏振的折射波5.2.3晶体的双折射晶体的双折射火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去5.3电光调制电光调制外加电场能引起某些晶体各向异性的折射外加电场能引起某些晶体各向异性的折射率变化率变化分析外加电场如何引起晶体的光学性质变分析外加电场如何引起晶体的光学性质变如何利用这一性质进行光调制。如何利用这一性质进行光调制。5.3.1电光效应电光效应电光效应电光效应 当光介质的两端所加外加电场较强时，介质内的电子分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
33、生变化，以致介质的极化强度以及折射率也布状态将发生变化，以致介质的极化强度以及折射率也各向异性地发生变化的现象各向异性地发生变化的现象电光效应弛豫时间很短，仅有电光效应弛豫时间很短，仅有10-11量级量级外场的施加或撤消导致的折射变化或恢复瞬间即可完成外场的施加或撤消导致的折射变化或恢复瞬间即可完成可用作高速调制器、高速开关等可用作高速调制器、高速开关等火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去为突出物理思路、简化推导，讨论基于以下条件为突出物理思路、简化推导，讨论基于以下条件1.外加电场相对光场为低频外加电场相对光场为低频 外
34、加电场频率接近或达到光频时属非线性光学研究范畴外加电场频率接近或达到光频时属非线性光学研究范畴2.所研究介质为无对称中心的晶体所研究介质为无对称中心的晶体 本节研究线性电光效应，只能存在于无对称中心晶体中本节研究线性电光效应，只能存在于无对称中心晶体中3.外加电场沿着某一介电主轴作用于晶体外加电场沿着某一介电主轴作用于晶体 此时此时D与与E的方向一致，因而的方向一致，因而D只随只随E的大小变化的大小变化。火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去1 泡克尔斯泡克尔斯(Pockels)效应效应 与克尔与克尔(Kerr)效应效应当外
35、加电场沿着某一介电主轴作用于晶体、均为常数。为不加电场时的介电常数，称线性介电常数。定义D(E)的斜率为加电场后的介电常数：火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去取二阶近似为线性电光系数，对于所决定的效应，n的变化与外加电场的一次方成正比，称为线性电光效应或泡克尔斯泡克尔斯(Pockels)效应；为二次电光系数，所决定的效应，n与外加电场平方成正比，称为二次电光效应或克尔克尔(Kerr)效应效应。火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去2晶体的电光系数引入逆
36、介电张量：则不加外场时在xyz主介电坐标系中的折射率椭球又可表示为：电场存在情况下，新椭球方程火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去外加电场E对n的影响可以方便用的变化来表示，即是外加电场引起的，对于线性电光效应，它应与E成正比：是对称张量，因而也是对称张量火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去非非中中心心对对称称晶晶体体的的电电光光系系数数矩矩阵阵
37、火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去常常用用晶晶体体的的电电光光系系数数火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去5.3.2KDP晶体的线性电光效应晶体的线性电光效应KDP晶体是人工生长的KH2PO4单晶的简称.不加外场时，其折射率椭球为：当晶体受到外加电场作用后，其线性电光效应矩阵为：火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去由此得新的折射率椭球为：外加电场引起了折射率椭球中的后三项，即“交
38、叉项”，它们与xy、yz、xz有关，这意味着加上电场后，椭球的主轴不再是x、y、z轴，而是有所偏转。新主轴、的方向和大小与E的关系就确定了电场对光传播的影响。火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去1外加电场平行于光轴外加电场平行于光轴设新主轴相对旧主轴旋转了角度，则新旧坐标系之间有关系在新主轴坐标系中，折射率椭球方程变为：火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去结论：结论：1施加外场E3后，椭球的xoy截面由圆变为椭圆，折射率椭球由旋转椭球面变为一般椭球面，
39、KDP由单轴晶体变为双轴晶体。2沿方向偏振的光传播相速度加大，而沿方向偏振的光传播速度减小，因此轴称为快轴，轴为慢轴。火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去2外加电场垂直于光轴外加电场垂直于光轴外加电场垂直于光轴也就是E处于xoy平面内新折射率椭球方程设新主轴相对旧主轴旋转了角度，则新旧坐标系之间有关系火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去得新主轴坐标系中，折射率椭球方程变为：新主轴坐标系中三个主折射率近似为火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物
40、，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去结论：1施加外场E2后，新折射率椭球的主轴是由旧主轴绕y旋转角后形成的，与外加电场成正比，但一般是一个小值。2施加外场E2后，折射率椭球由旋转椭球变为一般椭球，单轴晶体变为双轴晶体，双轴晶体的光轴方向之一仍为原z轴，另一光轴位于以轴为对称轴且和z对称的方向上。火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去5.3.3电光调制电光调制利用晶体的电光效应电光效应可以实现对晶体中传播光波的控制，改变传播光的幅度、频率、偏振态、传播方向等，这种基于电光效应的原理对光进行的调制就称为电
41、光调制，分强度调制、相位调制、脉冲调制等方式。1电光相位延迟电光相位延迟以外加电场平行于光轴的KDP晶体为例，火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去将E沿、轴方向分解得：光波沿z方向传播距离l后，两偏振光之间的相位差为火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去某一时刻、的变化曲线及相应的光场矢量变化情形火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去当相位延迟时，光场为x方向偏振的线偏振光，当/2时，
42、光场为圆偏振光，当时，光场又变成沿y方向偏振的线偏振光。与对应的偏振光相对入射光旋转了90，其相应的电压称为半波电压晶体的电光系数越大，相应半波电压越低.通过测量半波电压可以计算出相应的电光系数。火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去表表5-4 部分四方晶系晶体部分四方晶系晶体 的和的和火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去2纵向电光强度调制纵向电光强度调制图图5-8 纵向电光强度调制器纵向电光强度调制器火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要
43、当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去设：入射光经起偏片后强度为02，即：经过长l的晶体后，再经/波片，火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去检偏器出射光总场强为出射光强为：火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去图图5-9纵向电光调制器调制特性曲线纵向电光调制器调制特性曲线火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去使用电光调制器的光通信线路使用电光调制器的光通信线路火灾袭来
44、时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去3横向电光强度调制横向电光强度调制火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去式中第一项表示天然双折射造成的相位差，第二项由电光效应引起，为电光延迟。由第一项确定工作点位置后，根据第二项正比于l/d，恰当选择长宽比，以实现有效的电光调制。火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去4相位调制相位调制火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的
45、衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去说明通过外加调制电压可以实现位相调制。火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去5波导电光调制器波导电光调制器波导调制器是将具有电光特性的材料做成光波导，调制电场加在通光波导区，可以在很低的外加电压下获得所需的调制场强。可以通过波导特性，如模式转换、模式耦合、定向耦合等特性来实现光的直接强度调制与开关等。波导调制器具有效率高、体积小、集成度高、易于与光纤耦合等优点火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去6电光偏转器件电光偏转器
46、件光楔偏转光楔就是利用介质几何形状引起光偏转的。其偏转角光楔偏转原理火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去KDP电光晶体偏转器. KDP电光晶体偏转器电光晶体偏转器将KDP晶体研磨成两块直角棱镜，然后把它们沿斜面胶合在一起，光束偏转角与外加电压V成线性比例关系，通过调节V可使光束发生连续偏转。火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去KDP电光晶体偏转器组m=5KDP电光晶体偏转器组随着对数m的增加，偏转角随之增大，实现了有效的电光偏转。火灾袭来时要迅速疏散逃
47、生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去5.4声光调制声光调制声波的应变场也能改变某些类型晶体的折射率，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。5.4.1弹光效应弹光效应晶体在应力的作用下发生形变时，分子间的相互作用力发生改变，导致介电常数（折射率n）的改变，从而影响光波在晶体中的传播特性。火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去晶体上不加声场前，折射率椭球方程为：加声场后弹性应变Skl是一个二阶张量，称
48、为弹光系数张量。采用缩写符号火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去简单的各向同性融熔石英火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去折射率椭球变为：以x为光轴，在主轴坐标系中当光沿y或z向传播时，双折射率为双折射率取决于P11、12之差值火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去5.4.2声光衍射声光衍射1声光衍射的定性描述在晶体中传播的超声波产生弹光效应使晶体的介电常数发生变化，晶体中形成了周期
49、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()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。声光调制器与偏转器正是利用声致光衍射的这些性质来实现的。火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去2 声波在介质中传播可分为行波与驻波两种形式声波在介质中传播可分为行波与驻波两种形式每隔Ts/2，折射率在波腹处变化一次，在波节处保持不变，即波通过介质所得到的调制光的频率为超声波频率的2倍。(a)超声行波(b)超声驻波火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上
50、浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去3喇曼奈斯衍射喇曼奈斯衍射在低声频和相互作用长度(声场厚度)不太大的情况下，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，衍射遵循普通相位光栅的衍射定律。这种衍射称为喇曼奈斯衍射。火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去设所加应变声场产生的应变为表明声频越高，越大喇曼奈斯声光衍射喇曼奈斯声光衍射火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立
51、断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去当入射行光波为简谐波出射子波为：在衍射极值方向上合成光波场强为：Jm(k0nl)为m阶贝塞尔函数，a为声波场长度。火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去结论1当k0n0sinmmK时，E取极大值。当m取不同值时，不同角方向的衍射光取极大值。即对于一定的、，只有某些角满足2各级衍射光强关于零级极值对称分布。3衍射光产生多普勒频移火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去4声光布喇格衍射声光布喇格衍射若声波频率较高
52、，且声光作用长度L较大，声扰动介质不再能等效为“面位相光栅”，而形成“体位相光栅”。当平面光波相对于声波方向以一定角度入射时，介质内的各级衍射光将互相干涉，在一定条件下，各高级衍射光将互相抵消，只出现0级和级(或级)衍射光，即产生布喇格衍射火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去声光布喇格衍射声光布喇格衍射火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去布喇格衍射条件布喇格角火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被
53、褥勇敢地冲出去5.4.3声光器件声光器件1声光调制器声光调制器喇曼奈斯型声光调制器喇曼奈斯型声光调制器如果声波是载有信息的信号调制的，则衍射光也会受到相同信号的调制。一级衍射效率是线性调制指数火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去布喇格型声光调制器布喇格型声光调制器衍射效率l为声束宽度，M是材料的品质因数。(声强度)火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去2声光偏转器声光偏转器实现声光偏转可以有两种方法：一是声波使介质折射率在空间形成梯度分布，当光束通过介质
54、时，传播方向将向折射率增加的方向偏转；二是利用布喇格声光衍射，衍射角与声频在一定范围内存在着比例关系，通过改变声频来改变衍射角，促使光束发生偏转。火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去布喇格声光衍射光偏转器布喇格声光衍射光偏转器在满足布喇格衍射时，衍射光与入射光束之间的夹角火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去求微分得可见光束偏转角与声频的变化成正比。因而，改变声频就可以改变光束方向。火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的
55、衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去5.5磁光调制磁光调制法拉第效应法拉第效应法拉第在1845年发现：当一束平面偏振光通过磁场作用下的某些物质时，其偏振面受到正比于外加磁场平行于传播方向分量的作用而发生偏转。这种现象称为法拉第效应。旋光现象旋光现象当线偏振光沿光轴方向通过某些天然介质时，偏振面旋转的现象称为天然旋光，简称旋光现象。火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去线性磁光调制器结构示意图线性磁光调制器结构示意图火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去天然旋光效应与磁光效应的本质区别天然旋光效应与磁光效应的本质区别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。旋转角火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂拥而出或留恋财物，要当机立断，披上浸湿的衣服或裹上湿毛毯、湿被褥勇敢地冲出去B为平行于传播方向的磁感应强度分量，l为光在介质中的传播长度，V称为费尔德常数，是表征材料磁光性能的一个常数，与波长有关.时的的V值
