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第 3 章. 光辐射 的调制. §3.4 磁光调制. 磁光效应 当 光波通过某种磁性物质时 ,其传播特性发生变化,这种现象称为磁光效应 包括 法拉第旋转效应 、 克尔效应 、 磁致双 折射效应 等. 下面以 法拉第旋转效应 为例说明磁光调制的原理与过程. 3.4.1 法拉第旋转 效应. 一束线偏振光在有外加磁场作用下的介质中传播时,其偏振方向会发生旋转。旋转角度  的大小与沿光束方向的磁场强度 H 和光在介质中传播的长度 L 之积成正比  = VBL V 称为韦尔代 ( Verdet ) 常数

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Presentation Transcript

3章

光辐射的调制


§3.4 磁光调制

  • 磁光效应

    • 当光波通过某种磁性物质时,其传播特性发生变化,这种现象称为磁光效应

    • 包括法拉第旋转效应、克尔效应、磁致双折射效应等

下面以法拉第旋转效应为例说明磁光调制的原理与过程


3 4 1
3.4.1 法拉第旋转效应

  • 一束线偏振光在有外加磁场作用下的介质中传播时,其偏振方向会发生旋转。旋转角度 的大小与沿光束方向的磁场强度 H 和光在介质中传播的长度 L 之积成正比

     =VBL

    • V称为韦尔代(Verdet)常数

    • 表示在单位磁场强度下线偏振光通过单位长度的磁光介质后偏振方向旋转的角度


关于旋光现象的解释

  • 旋光现象可解释为

    • 外加磁场使介质分子的磁矩定向排列,当一束线偏振光通过它时,分解为频率相同、初相位相同的两个圆偏振光,其中一个圆偏振光的电矢量是顺时针方向旋转,称为右旋圆偏振光,而另一个圆偏振光是逆时针方向旋转的,称为左旋圆偏振光。这两个圆偏振光无相互作用地以两种略有不同的速度 +=c/nR和 -=c/nL传播,它们通过厚度为 L 的介质之后产生的相位延迟分别为:

两圆偏振光间存在一相位差


A

A’

AL’

AL

AR

z

  • 当它们通过介质之后,又合成为一线偏振光,其偏振方向相对于入射光旋转了一个角度。

  • 图中ZA表示入射介质的线偏振光的振动方向,将振幅A分解为左旋和右旋两矢量AL和AR,假设介质的长度L使右旋矢量AR刚转回到原来的位置,此时左旋光矢量(由于vL≠vR)转到A’L,于是合成的线偏振光A’相对于入射光的偏振方向转了一个角度,此值等于 角的一半,即

右旋光效应

 = /2= (nR– nL)L/ 


特点

  • 两种旋光效应的区别

    • 晶体的自然旋光现象:当光束往返通过自然旋光物质时,因旋转角相等、方向相反而相互抵消。

    • 磁致旋光效应:其旋转方向仅与磁场方向有关,而与光线传播方向的正逆无关。

  • 通过磁光介质时,只要磁场方向不变,旋转角都朝一个方向增加,此现象表明磁致旋光效应是一个不可逆的光学过程,因而可利用来制成光学隔离器或单通光闸等器件


3 4 2
3.4.2 磁光调制器

  • 把要传递的信息转换成光载波的强度(振幅)等参量随时间的变化

  • 过程(与电光调制、声光调制有所不同)

    • 磁光调制是电信号先转换成与之对应的交变磁场,由磁光效应改变在介质中传输的光波的偏振态,从而达到改变光强度等参量的目的


  • 工作物质钇铁石榴石(YIG或掺Ga的YIG棒)放在沿轴方向z的光路上,它的两端放置有起、检偏器,高频螺旋形线圈环绕在YIG棒上,受驱动电源的控制,用以提供平行于z轴的信号磁场。

  • 为了获得线性调制,通常在垂直于光传播的方向上加一恒定磁场 Hdc,其强度足以使晶体饱和磁化。


式中,

θs单位长度饱和法拉弟旋转角

H0sinωHt调制磁场


§3.5 直接调制

  • 直接调制是把要传递的信息转变为电流信号注入半导体光源(激光二极管LD或半导体二极管LED),从而获得已调制信号的过程

  • 由于它是在光源内部进行的,因此又称为内调制

  • 是目前光纤通信系统普通使用的实用化调制方法

  • 根据调制信号的类型,直接调制又可以分为

    • (连续的)模拟调制

    • 数字(脉冲编码)调制


  • 半导体激光器有一个阈值电流 It,发射激光的强弱直接与驱动电流的大小有关。若把调制信号加到激光器(电源)上,即可以直接改变(调制)激光器输出光信号的强度


3.6 空间光调制器

y

x

  • 前面所介绍的各种调制器是对一束光的“整体”进行作用,而且对与光传播方向相垂直的xy平面上的每一点其效果是相同的。

  • 空间光调制器可以形成随xy坐标变化的振幅(或强度)透过率

    • A(x,y)=A0T(x,y)

  • 或者是形成随坐标变化的相位分布

    • A(x,y)=A0Texp[iθ(x,y)]

  • 或者是形成随坐标变化的不同的散射状态。


空间光调制 器(SLM,Spatial Light Modulator)是一种对光波的空间分布进行调制的器件

  • 含有许多独立单元,在空间排列成一维或二维阵列

  • 每个单元都可以独立地接受光信号或电信号的控制,并按此信号改变自身的光学性质(透过率、反射率、折射率等),从而对通过它的光波进行调制

    控制这些单元光学性质的信号称为“写入信号”,写入信号可以是光信号也可以是电信号

    入射到器件并被调制的光波称为“读出光”;

    经过空间光调制器后的输出光波称为“输出光”。

    可实现实时的二维并行处理。


液晶空间光调制器

  • 有些物质不是直接由固态变为液态,而是经过一个过渡相态,这时,它一方面具有液体的流动性质,同时又有晶体的特性(如光学、力学、热学的各向异性),这种过渡相态称之为“液晶”。

  • 液晶是一种有机化合物,一般由棒状柱形对称的分子构成,具有很强的电偶极矩和容易极化的化学团。对这种物质施加外场(电、热、磁等),液晶分子的排列方向和液晶分子的流动位置就会发生变化,即改变液晶的物理状态。如对液晶施加电场,它的光学性质就发生变化,这就是液晶的电光效应。

下学期的“液晶显示器”


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