【正文】 有些晶體在外加電場(chǎng)作用下產(chǎn)生旋光現(xiàn)象。所產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)角 的大小除與晶體性質(zhì)、晶體厚度有關(guān)外，還與所加電壓的大小成正比。如在石英晶片上施加以 為圓頻率的正弦電壓， ，那么晶體使偏振光振動(dòng)面旋轉(zhuǎn)角度也是一個(gè)隨時(shí)間變化的正弦函數(shù) ?? tUU ?sin0?tm ??? s in? (664) 式中， 為在外加電壓時(shí)對(duì)應(yīng)的最大旋轉(zhuǎn)角； m? 利用電場(chǎng)作用下的旋光效應(yīng)所設(shè)計(jì)的光調(diào)制器如圖 670所示。光源經(jīng)準(zhǔn)直鏡產(chǎn)生平行光，該平行光是自然光，經(jīng)起偏振器后形成線偏振光，偏振光經(jīng)外加電場(chǎng)作用下的石英晶體后成為擺動(dòng)的線偏振光，再經(jīng)檢偏振器后，形成經(jīng)調(diào)制的線偏振光，其光強(qiáng)度為 )s i n(c o s 20 tII m ??? ?? (665) 式中， 為起、檢兩偏振器主方向 和 間的夾角； 圖 671所示是 和 時(shí)各量間的關(guān)系。實(shí)際使用中常采用 的方式，調(diào)制光強(qiáng)的公式為 )s i n(s i n 20 tII m ???2??? 0??21 PP ?(666) ? 1P 2P圖 670 利用旋光進(jìn)行光調(diào)制裝置 圖 671 兩種放置方法 （ 2）利用“法拉弟”旋光效應(yīng)產(chǎn)生的光調(diào)制 某些物質(zhì)在磁場(chǎng)的作用下，能使通過(guò)該物質(zhì)的偏振光振動(dòng)面產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，這就是“法拉弟”旋光效應(yīng)。 這些物質(zhì)叫做磁偏物質(zhì)。它們可以是透明或半透明的固體、液體或氣體。常用“效應(yīng)”強(qiáng)的物質(zhì)，如含鉛玻璃等。 該效應(yīng)使偏振面旋轉(zhuǎn)的角度 為 ?VHL??式中， V為物質(zhì)的費(fèi)爾德常數(shù)，它表征磁偏物質(zhì)的旋光能力； H為磁場(chǎng)強(qiáng)度； L為在磁場(chǎng)中光經(jīng)過(guò)的長(zhǎng)度。 圖 672所示是利用磁旋光效應(yīng)實(shí)現(xiàn)光調(diào)制的原理圖。 圖 672 利用磁旋光實(shí)現(xiàn)光調(diào)制 (667) 磁偏物質(zhì)中的交變磁場(chǎng) B是由交變電流通過(guò)線圈產(chǎn)生，如果交變電流 ，則 B為 tII ?sin0?tBB ?s in0?旋光轉(zhuǎn)角 為 ? tVLBtm ???? s i ns i n 0??造成輸出調(diào)制光強(qiáng)為 )s i n(c o s020 tVLBII ?? ??當(dāng) 時(shí) 2??? )s i n(s i n 20 tII m ??? 可從三個(gè)方面提高該效應(yīng)的效果。 (1)選擇磁旋系數(shù) V強(qiáng)的物質(zhì) 。(2)加大線圈的匝數(shù)以增加磁感應(yīng)強(qiáng)度 B，但這會(huì)使結(jié)構(gòu)笨重，增大電感性的惰性，對(duì)工作不利； (3)增加光在磁場(chǎng)中的路途長(zhǎng)度。如圖 673所示是增長(zhǎng)路途的一種方案，在不增加磁感應(yīng)強(qiáng)度的條件下，增大了磁旋光效應(yīng)。 圖 673 延長(zhǎng)作用距離的方案 (668) (669) (670) (671) 3． 利用雙折射進(jìn)行光調(diào)制 當(dāng)光束通過(guò)非對(duì)稱晶體時(shí)，會(huì)產(chǎn)生雙折射，即產(chǎn)生以折射率為n0的尋常光和折射率為 ne的非尋常光。 這兩束光經(jīng)過(guò)晶體后，形成一定的相位差， ， ， d為晶體的厚度。這兩束光具有一定相位差，只要能使它們的振動(dòng)方向一致，就可以產(chǎn)生干涉。 ??? ?? 2)( 0 ennd ??? 圖 674是偏振光干涉的原理圖； 圖 674 利用晶體雙折射實(shí)現(xiàn)調(diào)制原理 圖 675所示為各光束振動(dòng)方位圖，起偏振器與檢偏振器的主平面 P1和 P2正交，晶體光軸沿 ox軸方向。 圖 675 光束方位振動(dòng)圖 干涉光強(qiáng)度 I為 (672) ]2s i n2s i n2s i n)([c os 220????? ??? II式中， 兩光束間的相位差， 代入上式，則有 ? dnn e????? 02]s i n2s i n2s i n)([c os 220 ?????? ???? II (673) (1) 利用克爾效應(yīng)的光調(diào)制 克爾效應(yīng)是介質(zhì)電光效應(yīng)的一種，某些各向同性的介質(zhì)，在強(qiáng)電場(chǎng)的作用下變成各向異性，光束通過(guò)將會(huì)產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象。利用克爾效應(yīng)實(shí)現(xiàn)光調(diào)制的裝置如圖 676所示。 圖 676 利用克爾效應(yīng)實(shí)現(xiàn)光調(diào)制 克爾盒中產(chǎn)生電光效應(yīng)的液態(tài)介質(zhì)是硝基苯 (C6H5NO2)，它在強(qiáng)電場(chǎng) E的作用下具有雙折射晶體的性質(zhì)，其光軸沿電場(chǎng)方向。偏振光通過(guò)有外加電場(chǎng)作用下的克爾盒時(shí)，產(chǎn)生振動(dòng)面沿電場(chǎng)方向和垂直電場(chǎng)方向的兩束光，折射率差為 ，它與電場(chǎng)強(qiáng)度 E的平方成正比。兩束光產(chǎn)生的光程差為 enn ?020 K L ELnn e ?????式中， 為光束的波長(zhǎng)； L為電場(chǎng)作用下光在介質(zhì)中經(jīng)過(guò)的長(zhǎng)度；K為介質(zhì)的克爾系數(shù)。 通過(guò)該裝置的光強(qiáng)為 ?)](s i n2s i n2s i n)([ c o s 2220 K L EII ????? ???如果兩極板間距離為 d，所加電壓為 U，對(duì)應(yīng)電場(chǎng)強(qiáng)度 ，則有 dUE?)](s i n2s i n2s i n)([c os22220 dUKLII ????? ???當(dāng)外加交變電壓 時(shí)，就實(shí)現(xiàn)了對(duì)光的調(diào)制。 tUU ?s in0?(676) (674) (675) 裝置中偏振器方向和電場(chǎng)方向常采用圖 677所示的兩種方案。如按第一種方案放置， ，輸出光強(qiáng)度為 4??? ??)(c o s)](s i n1[22202220dUKLIdUKLII?????圖 677 偏振器放置方位 (677) 這種電光效應(yīng)與電場(chǎng)強(qiáng)度的平方成正比，所以又把克爾效應(yīng)叫做二次電光效應(yīng)。 (2) 利用克爾效應(yīng)的光調(diào)制 泡克耳效應(yīng)是在壓電晶體上產(chǎn)生的光效應(yīng)，當(dāng)外加電場(chǎng)作用在壓電晶體上時(shí)，使晶體產(chǎn)生非對(duì)稱性．從而使通過(guò)該晶體的光束產(chǎn)生雙折射，兩束光的光程差為 b L ELnn e ???? 0式中， L為光在晶體中經(jīng)過(guò)的長(zhǎng)度； b為晶體材料的泡克耳常數(shù)。 由式中可見(jiàn)，雙折射率差與外電場(chǎng)強(qiáng)度的一次方成正比，所以又把泡克耳效應(yīng)叫做一次電光效應(yīng)。 常用的壓電晶體有磷酸二氫鉀 (KDP)、磷酸二氫銨 (ADP)和鉭酸鋰 (LiTa03)等。利用泡克耳效應(yīng)做成的光調(diào)制器，按施加電場(chǎng)的方向可分為縱向調(diào)制器和橫向調(diào)制器，如圖 778(a)、 (b)所示 圖 678 兩種泡克耳效應(yīng)調(diào)制方式 (678) 圖 679是利用壓電晶體實(shí)施光調(diào)制的原理示意圖， P1,P2的方向也繪于圖中。 圖 679 泡克耳效應(yīng)調(diào)制系統(tǒng) 如當(dāng) 時(shí)，輸出光強(qiáng)為 )(s i n)2(s i n 2020 bL EIII ??? ??43,4 ???? ??當(dāng)施加交變電壓 ， 電場(chǎng)，則有 tUU ?sin0? tEE ?sin0?)s i n(s i n)2(s i n 02020 tbL EIII ???? ??(679) (680) 電光調(diào)制工作點(diǎn)的選擇結(jié)合圖 680加以說(shuō)明。 圖 680 電光調(diào)制工作點(diǎn)的選擇 (3)利用在磁場(chǎng)作用下介質(zhì)產(chǎn)生的雙折射實(shí)現(xiàn)光調(diào)制 磁場(chǎng)作用在某些透明的液體介質(zhì)上，液體分子會(huì)形成某種有序的排列，表現(xiàn)出像晶體那樣的雙折射性質(zhì)。當(dāng)偏振光束的振動(dòng)面與磁場(chǎng)方向按夾角入射時(shí)，光束分解為兩束振動(dòng)相互垂直、傳播速度不同的但傳播方向一致的偏振光，其中一束的振動(dòng)而與磁場(chǎng)方向平行，另一束光與磁場(chǎng)方向垂直。兩束偏振光經(jīng)過(guò)磁場(chǎng)作用下的介質(zhì)長(zhǎng)度為 L，產(chǎn)生的光程差為 2C L B?? 式中 ， C為與介質(zhì)性質(zhì)、溫度及波長(zhǎng)有關(guān)的常數(shù)； B為磁感應(yīng)強(qiáng)度。 (681) 如圖 681所示，典型的電光調(diào)制器中的四晶體結(jié)構(gòu)，用成對(duì)晶體以補(bǔ)償晶體固有的雙折射，而用旋轉(zhuǎn)了的兩對(duì)晶體以減少溫度雙折射效應(yīng)的影響。 圖 681 四晶體電光調(diào)制結(jié)構(gòu) 4． 利用聲光效應(yīng)的光調(diào)制 光波在傳播時(shí)被超聲波衍射的現(xiàn)象叫做聲光效應(yīng)。 為說(shuō)明聲光效應(yīng)過(guò)程，定義聲光特征參量 Q 02 /)( KLKQ ?式中， 為聲波矢； 為真空中的光波矢； 為介質(zhì)中超聲波的波長(zhǎng)； 為介質(zhì)中超聲波的速度； 為超聲波的頻率； 為光束在真空中的波長(zhǎng)； 為聲光相互作用的長(zhǎng)度。 sS fK )/2(/2 ??? ??? 00 /2 ???K? s? sf0? L 當(dāng) Q《 l時(shí)，聲光介質(zhì)相當(dāng)干一個(gè)平面光柵，光束垂直入射到聲衍射光柵上，形成衍射圖案。這一效應(yīng)產(chǎn)生在液體介質(zhì)中，如苯、四氯化碳、甘油和甲苯等，叫作德拜 —席爾斯效應(yīng)。而在固體如鈮酸理、氧化鋅和硫化鎘等材料中產(chǎn)生的同樣效應(yīng)叫做喇曼 —納恩效應(yīng)。下面以德拜 —席爾斯效應(yīng)為例說(shuō)明聲光調(diào)制的原理。圖 682所示是該效應(yīng)的原理圖。 圖 682 超聲衍射光 (682) 當(dāng)一個(gè)波長(zhǎng)為 ，角頻率為 的平行光束，垂直入射到長(zhǎng)度為 d、 折射率 是的矩形媒質(zhì)上。另外使一個(gè)波長(zhǎng)為 ，角頻率為 的平面壓縮波以垂直于光波入射平面的方向在媒質(zhì)中傳播。壓縮波在媒質(zhì)內(nèi)部引起折射率的周期變化，沿 x方向?yàn)? )2c os (0 xtnn ???? ????0n ?c? 按光柵衍射的理論，媒質(zhì)在壓縮波作用下相當(dāng)一個(gè)光柵常數(shù)為的光柵，形成衍射級(jí)亮紋條件或光柵方程為 ?? N?? s in N=0,177。 1, 177。 2, 177。 3… 這時(shí)零級(jí)與一級(jí)條紋間的衍射角 )a rc s in( ??? ??通常認(rèn)為產(chǎn)生上述衍射的條件是 15222nnD ???式中， D為光束的寬度。 (683) (684) (685) 當(dāng) Q》 1時(shí)，產(chǎn)生布拉格衍射，聲光介質(zhì)相當(dāng)一個(gè)立體光柵。這種調(diào)制器沒(méi)計(jì)時(shí)，為使光與聲之間有一個(gè)長(zhǎng)的相互作用路程，所以使光束的入射角，由垂直于聲束方向向聲束傳播方向偏轉(zhuǎn)，如圖 6–83所示。 圖 6–83 布拉格角超聲衍射光 LOGO 感謝您的關(guān)注