当前课程知识点:光学工程基础 > 下篇:物理光学——磁光、电光和声光效应 > 3.23.2 电光效应(二) > 3.23.2 电光效应(二)
大家好
这一讲我们继续讲电光效应
主要讲二级电光效应
和电光效应的应用
我们先来看二级电光效应
二级电光效应又叫克尔效应
这是一个克尔效应的基本装置
前面P表示一个起偏器
后面A表示一个检偏器
它俩是一个互相正交的
中间加了一个容器
容器里面装上这个硝基苯
是一种各向同性介质的液体
在这个容器的前后两侧
也就是横向位置加上一个电场E
加上一个电场E
这个电场E加上以后
原来各向同性介质的液体
就变成了一个单轴晶体
单轴晶体它的折射率椭球方程
可以由这个式子给出
也就等于这是新的
折射率椭球方程
原来是各向同性介质的
折射率都是n
现在加了电场E之后
它沿x y方向的折射率
是一个值相同的
其中S11 S12是
二次电光系数
沿不同方向
二次电光系数
我们这里先给定
溶液这个宽度是L
就是沿纵向
光通过的这个方向的宽度是L
它的溶液的厚度是h
就是它的厚度
这样以来我们就可以得到
沿着x y方向上的折射率n o
就等于n减掉二分之一n立方
S12倍的一平方
nE就等于n减掉二分之一
n立方倍的S11乘以E平方
我们可以看出它就相当于
是一个单轴晶体等于1
这里的no呢
就是光波振动方向
与外界电场方向正交的时候
介质的折射率
ne是光波振动方向
与外电场方向平行时
介质的折射率
这样我们就很容易得到
它的工学性质
no-ne就是它的折射率差
就等于二分之一倍的n立方
S12-S11倍的E平方
把中间这一堆写成一个K的形式
K等于n立方S12-S11
除以2倍的λ
这样我们就可以得到
折射率差no-ne
等于K倍的λE平方
所以它跟这个E的平方成正比
所以折射率差表现出
二级电光效应的特征
它的相位差就乘以2π除以λ
就得到了2π倍的K E平方l
代入我们前面导出的
平面波干涉的
互相垂直的起偏器 检偏器
互相垂直的
这样一个强度分布公式
I就等于I0sin2分之δ平方
也就等于I0sinπKlV平方
除以h平方的平方
这里的K是我们刚才定义的
电光系数相关的这样一个常数K
l是它纵向通过这个液体的距离
V是它加入电压的大小
h是它的厚度
所以V除以h就应该是电场强度
接下来我们讨论
电光效应的应用
电光效应应用最普遍的例子
是电光调制
这是一个电光调制的基本结构
前面用一束激光
假如说氦氖激光平行入射到
这样一个系统中
前面用一个起偏器P
后面用一个检偏器A
P和A的位置可以相互调整
然后中间是我们说的
电光晶体KDP
KDP加上电压
我们用这个符号来表示
它加上的
在前后表面加电压
可以看出来这是一个
纵向电光效应的基本装置
纵向电光效应的基本装置
可以用来调制出射光的光强
我们把上一讲得到的
互相垂直的
P和A互相垂直的这样一个
偏振光的干涉强度分布公式
I等于2分之I0
乘以1-cosδ
也就等于I0倍的sinπV
除以2Vπ平方
我们从这个强度表达式中
可以看出
当V也就是所加的电压
V等于0的时候
它的出射光的强度I是等于0的
所以这个系统的
透过率P就等于0
当所加的电压V等于Vπ的时候
I就等于I0
也就是得到最大值
这个时候整个系统的透过率P
就等于1
所以通过我们外加电压
可以调制出射光的光强
我们假如外加的电压
是0和Vπ
组成这样一个方波
0 Vπ 0 Vπ
所以这样出射光就是一个
01 01 这样一个强度分布
所以我们可以作为电光开关
来使用这个电光晶体
这个表就表示了
调制偏振光 偏振态
随外加电压的变化的关系
当入射光为垂直方向的
线偏振光的时候
我们可以通过加V不同的值
得到出射光的各种偏振态
比方说V除以Vπ=0的时候
它出射光的偏振态是不变的
还是垂直线偏振光
当V比Vπ等于2分之1的时候
δ等于2分之π
所以它就产生一个
左旋圆偏振光
当V比Vπ等于1的时候
δ等于π
所以它变了90度
变成了一个水平的线偏振光
当V比Vπ等于2分之3的时候
它产生2分之3π的相位差
一个垂直线偏振光
就变成了一个右旋圆偏振光
当V比Vπ等于2的时候
δ=2π
也就是它的偏振态没有变化
仍然是一个垂直的线偏振光
我们说电光调制
可以起这个光强的调制作用
就是说I比I0
就是出射光的光强
除以入射光的光强
应该等于sinπV除以2Vπ平方
这里的V就是我们所加的
电压的强度
从这个公式可以看出来
它的强度不是随着
电压线性变化的
因为我们把它作为
小角度近似
把这个因为Vπ特别大
所以你加的电压比较小的时候
整个这个sin里面这个值比较小
用这个小角度近似
可以得到I和I0之间的关系
是一个跟所加电压V的平方
成正比的一个关系
这个时候呢
如果以O点为工作点
就是原来以0点为工作点
V=0的时候
为工作点的时候
这个时候
这个曲线的斜率特别小
就造成了灵敏度比较低
这样一个特征
为了把这个IV线性化
就是出射光强跟所加电压
基本成线性变化的关系
我们把这个工作点平移
也就是电学里头的偏置
我们把它偏置到这个变化曲线
在这个线性范围之内
就是IV的响应曲线
在这个线性段
这样一个范围之内
看这样一个余弦平方
这样一个关系
我们把它变到这个中间
也就等于2分之Vπ的位置
也就是Q点
它左右基本上是呈现线性的
怎么进行偏置呢
我们当然可以加电压
可以加一个半波电压的一半
半波电压的一半
也就把它偏置到了
这样一个线性工作区域内
但是我们说半波电压很高
要加半波电压一半的时候
也是一个比较困难的事情
所以我们用四分之一波片
来进行光学偏置
四分之一波片
可以把引入的相位差
是二分之π
所以可以把这个工作点移到
这个四分之Vπ这样一个位置
工作点移到这个
调制曲线的中点附近
可以改善输出和输入
这个线性关系
输出信号就可以随着
外加电压的增大而增大
经过四分之一波片之后
我们再通过这个系统
或者先通过这个系统
再加入四分之一波片
我们都可以得到这种
光学偏置的效果
偏置之后它的光强I
就等于I0sinπV除以2Vπ
加四分之一π 整个的平方
这是电光光强调制器
输出特性的示意图
我们可以看出
当我们把这个工作点
调到余弦平方的线性区域之后
输入信号是一个正弦的话
它输出信号也是近似正弦的
输出光强的调制频率
等于外加电压的频率
这些电光调制的基本原理
可用于实现激光通讯
也可以用做光电开关
这一讲就讲到这里
-1.1.1 课程背景和内容简介
-1.1.2 光学工程的特点
--光学工程的特点
-1.1.3 本课程的学习方法
--本课程的学习方法
--外部链接
-1.2.1 微积分基础知识
--微积分基础知识
-1.2.2 光学工程中的常用函数
-1.2.3 常用函数的运算与变换
-扩展阅读
--SPIE课程:Light in Action-Lasers,Cameras&Other Cool Stuff
--SPIE课程:A Day Without Photonics-A Modern Horror Story
--SPIE课程:Advice to Students from Leaders in the Optics&Photonics Community
--版权说明
-2.1.1 基本概念和光线传播基本定律
-2.1.2 成像基本概念
--成像基本概念
-2.1.3 费马原理
--费马原理
-2.1.4 等光程成像
--等光程成像
-2.1.5 常用曲面形状
--常用曲面形状
-第一次作业--作业
-2.2.1 近轴光学基本概念
--近轴光学基本概念
-2.2.2 近轴球面成像
--近轴球面成像
-2.2.3 近轴球面成像放大率
-2.2.4 物像空间及光学不变量
-2.2.5 矩阵光学简介
--矩阵光学简介
-2.2.6 矩阵光学应用
--矩阵光学应用
-第二次作业--作业
-2.3.1 理想光学系统基本概念
-2.3.2 理想光学系统的基点与基面
-2.3.3 图解法求像
-2.3.4 解析法求像
-2.3.5 理想光学系统的放大率
-2.3.6 理想光学系统焦距关系
-2.3.7 理想光学系统组合
-2.3.8 透镜与薄透镜
-2.3.9 远摄型光组和反远距型光组
-第三次作业--作业
-2.4.1 平面反射镜及双平面反射镜
-2.4.2 反射棱镜及其展开和平行平板成像
-2.4.3 反射棱镜成像方向
-2.4.4 棱镜转动定理
-2.4.5 角锥棱镜和折射棱镜
-2.4.6 光学材料简介
-第四次作业--作业
-2.5.1 光阑简介与孔径光阑
-2.5.2 视场光阑与渐晕
-2.5.3 远心光路
-2.5.4 景深
--2.5.4 景深
-第五次作业--作业
-2.6.1 光度学与色度学基础
-2.6.2 视见函数和光度学
-2.6.3 光传播过程中光学量的变化规律
-2.6.4 色度学基本概念
-2.6.5 CIE标准色度学系统
-第六次作业--作业
-2.7.1 球差
--2.7.1 球差
-2.7.2 色差
--2.7.2 色差
-2.7.3 子午像差和弧矢像差
-2.7.4 彗差、像散、场曲、畸变
-2.7.5 垂轴像差、波像差
-2.7.6 光学传递函数
-第七次作业(像差)--作业
-2.8.1 人眼的光学模型
-2.8.2 人眼的缺陷与校正
-2.8.3 人眼的景深
-2.9.1 光学系统的分辨率
-上篇:应用光学——光学系统的分辨率(光学系统分辨率)
-2.9.2 人眼的分辨率
-上篇:应用光学——光学系统的分辨率--第八次作业(人眼)
-2.10.1 放大镜
-上篇:应用光学——放大镜--第八次作业(放大镜)
-2.10.2 放大镜的光束限制和视场及目镜
-2.11.1 望远系统
-2.11.2 望远镜的放大倍率
-2.11.3 望远镜的视觉放大率
-2.11.4 望远镜的分辨率
-第九次作业(望远镜)--作业
-2.12.1 显微镜及其放大率
-2.12.2 显微镜的视觉放大率
-2.12.3 显微镜的孔径光阑
-2.12.4 显微镜的机械筒长
-2.12.5 显微镜的分辨率及有效放大率
-2.12.6 显微镜的景深
-2.12.7 显微镜的照明系统
-第九次作业(显微镜)--作业
-3.1.1 电磁场的波动性
-3.1.2 平面电磁波及其性质
-3.1.3 球面波与柱面波,光波辐射与辐射能
-3.2.1 电磁场的连续条件(边界条件)
-3.2.2 光在两电介质分界面上的折射与反射
-3.2.3 菲涅耳公式
-3.2.4 全反射与倏逝波
-3.2.5 金属表面的反射
-3.2节课后习题--作业
-3.3.1 光的吸收、色散和散射
-3.4.1 光波的叠加
-3.5.1 干涉原理及相干条件
-3.5节课后习题--作业
-3.6.1 干涉图样计算
-3.6.2 分波阵面干涉装置的特点
-3.6节课后习题--作业
-3.7.1 时间相干性
-3.7.2 空间相干性
-下篇:物理光学——干涉条纹的对比度及其影响因素
-3.8.1 干涉条纹的定域
-3.8.2 平行平板产生的等倾干涉
-3.8.3 楔形平板产生的等厚干涉
-下篇:物理光学——平板的双光束干涉--3.8节课后习题
-3.9.1 斐索干涉仪
-3.9.2 迈克尔逊干涉仪
-下篇:物理光学——典型的双光束干涉系统及其应用
-3.10.1 平行平板的多光束干涉
-3.10.2 F-P 干涉仪
-3.10.3 光学薄膜基础
-3.10.4 单层膜与多层膜
-3.10课后习题--作业
-3.11.1 惠更斯—菲涅耳原理
-3.11.2 菲涅耳—基尔霍夫衍射公式及衍射分类
-3.11节习题--作业
-3.12.1 夫朗和费衍射公式的意义
-3.12.2 矩孔衍射和单缝衍射
-3.12.3 圆孔衍射
-3.12节习题--作业
-3.13.1 成像系统的分辨本领
-下篇:物理光学—— 光学成像系统的衍射和分辨本领
-3.14.1 双缝与多缝的夫朗和费衍射
-3.14.2 光栅的分光性能
-3.14.3 几种典型光栅
-3.14节习题--作业
-3.15.1 圆孔和圆屏(盘)的菲涅耳衍射
-3.15.2 菲涅耳透镜
-下篇:物理光学—— 菲涅耳衍射(菲涅耳衍射)
-3.16.1 平面波的复振幅分布和空间频率、复杂复振幅及其分解
--3.16.1 平面波的复振幅分布和空间频率、复杂复振幅及其分解
-3.16.2 光波衍射的傅里叶分析方法
-3.16.3 透镜的傅立叶变换性质
-3.16.4 相干成像系统分析及相干传递函数
-3.16节习题--作业
-3.17.1 非相干成像系统分析及光学传递函数
-3.17.2 阿贝成像理论、波特实验与光学信息处理
-3.17.3 全息术
-3.17节习题--作业
-3.18.1 偏振光概述
-3.18.2 光在晶体中的传播
-3.18.3 单色平面波在晶体中的传播
-3.18.4 单轴晶体中光的传播
-3.18节习题--作业
-3.19.1 光波在晶体表面的折射和反射
-3.20.1 偏振棱镜和相位延迟器(一)
-3.20.1 偏振棱镜和相位延迟器(二)
-3.20.2 偏振光和偏振态的琼斯矩阵表示
-3.20节课后作业--作业
-3.21.1 偏振光的变换
-3.21.2 偏振光的测定
-3.21节课后习题--作业
-3.22.1 平面偏振光的干涉
-3.22.2 会聚偏振光的干涉
-3.22节课后习题--作业
-3.23.1 旋光现象和磁致旋光效应(一)
-3.23.1 旋光现象和磁致旋光效应(二)
-3.23.2 电光效应(一)
-3.23.2 电光效应(二)
-3.23.3 声光效应
-下篇:物理光学——磁光、电光和声光效应--3.23节课后习题
-期末考试--作业