- •А.Г. Акманов, б.Г. Шакиров оСновы квантовых и оптоэлектронных приборов
- •Введение
- •1 Физические основы лазеров
- •1.1Оптическое излучение
- •1.2Энергетические состояния квантовой системы. Населенности квантовых уровней
- •1.3Элементарные процессы взаимодействия оптического излучения с веществом
- •Спонтанные переходы
- •Вынужденные переходы
- •Спонтанное излучение
- •1.4Основы теории формы и ширины линии излучения
- •Доплеровское уширение
- •1.5Коэффициенты Эйнштейна. Термодинамическое рассмотрение
- •1.6Квантовое усиление в среде
- •1.7Квантовый генератор (лазер)
- •1.8Методы инверсии населенностей квантовых уровней
- •1.9Метод оптической накачки
- •1.10Кинетические уравнения для населенностей уровней
- •1.11 Оптические резонаторы
- •1.11.1 Добротность открытого резонатора
- •1.11.2 Волновая теория открытого резонатора
- •1.11.3 Дифракционная теория
- •1.11.4 Геометрическая теория открытого резонатора
- •Типы оптических резонаторов
- •1.11.5 Селекция типов колебаний
- •2Твердотельные лазеры
- •2.1Рубиновый лазер
- •2.2Неодимовые лазеры
- •2.3Устройство твердотельного лазера
- •2.4Система оптической накачки
- •2.5Электрическая схема питания лазера
- •2.6Режимы работы твердотельных лазеров
- •Режим свободной генерации
- •Режим модулированной добротности
- •Режим синхронизации мод
- •3Газовые лазеры
- •3.1Принцип работы и конструкция газовых лазеров
- •3.2Инверсия населенностей в плазме газового разряда
- •3.3Гелий – неоновый лазер
- •3.4Аргоновый лазер
- •3.5Со2-лазер
- •4Полупроводниковые лазеры
- •4.1Физические основы работы полупроводникового лазера
- •4.1.1Энергетические состояния в полупроводниках
- •4.1.2 Излучательные и безызлучательные переходы.
- •4.1.2Условие усиления электромагнитной волны в полупроводнике
- •4.2Инжекционный полупроводниковый лазер на гомопереходе
- •4.3Инжекционный полупроводниковый лазер на гетеропереходе
- •4.4Характеристики и параметры полупроводниковых лазеров
- •4.5Применения полупроводниковых лазеров
- •5Оптические модуляторы
- •5.1Электрооптические модуляторы
- •Линейный электрооптический эффект в одноосных кристаллах
- •Фазовая и амплитудная модуляция света в одноосных кристаллах. Модуляционная характеристика электрооптического модулятора
- •Режимы работы и конструктивные особенности электрооптических модуляторов
- •5.2Акустооптические модуляторы
- •5.3Магнитооптические модуляторы
- •6Волоконно-оптические усилители
- •6.1Принцип работы волоконно-оптических усилителей
- •6.2Устройство и схемы волоконно-оптических усилителей
- •6.3Характеристики и параметры волоконно-оптических усилителей.
- •7Основы нелинейной оптики
- •7.1Поляризация диэлектрика. Нелинейная поляризация
- •7.2Генерация оптических гармоник, суммарных и разностных частот
- •7.3Фазовый синхронизм в одноосных кристаллах
- •7.4Самофокусировка света
- •7.5Двухфотонное поглощение
- •7.6Вынужденное комбинационное рассеивание света
- •8Элементы оптоэлектронных приборов
- •8.1Физические основы работы полупроводниковых светоизлучающих диодов
- •8.2Внутренний и внешний квантовые выходы
- •8.3Потери излучения в светоизлучающем диоде
- •8.4Излучательная и спектральная характеристики светоизлучающего диода
- •8.5Модуляционная характеристика светоизлучающего диода
- •8.6Параметры и электрические характеристики светоизлучающего диода
- •8.7Конструкции излучающего диода и эффективность связи с волоконным световодом
- •8.8Принцип работы полупроводниковых фотоприемников
- •8.9 Внутренний фотоэффект. Фотопроводимость
- •8.10Скорость оптической генерации носителей заряда
- •8.11Процессы рекомбинации носителей заряда
- •8.12Основное характеристическое соотношение фотопроводимости
- •8.13Процессы релаксации
- •8.14Фоточувствительность. Фототок. Усиление фототока
- •8.15Характеристики фотоприемников
- •8.16Фотодиоды
- •Лавинные фотодиоды
- •Параметры лавинного фотодиода лфд-2-а
- •8.17Фототранзисторы
- •8.18Фототиристоры
- •8.19Фоторезисторы
- •Список литературы
- •Содержание
5Оптические модуляторы
Модуляция- это изменение параметров светового луча в зависимости от управляющего (модулирующего) сигнала, несущего информацию. Различают две основные формы модуляции: внешнюю и прямую. При внешней модуляции поляризованный световой луч проходит вне источника света в модулятор, в котором в соответствии с передаваемым сигналом изменяется амплитуда или фаза излучения. В качестве внешних модуляторов применяются электрооптические, акустооптические и магнитооптические модуляторы.
5.1Электрооптические модуляторы
В настоящее время наиболее распространенным электрооптическим модулятором является модулятор на ячейке Поккельса. Принцип действия модуляторов на ячейке Поккельса основан на линейном электрооптическом эффекте, который заключается в изменении показателя преломления среды пропорционально приложенному электрическому полю.
Линейный электрооптический эффект в одноосных кристаллах
Для оптически однородного анизотропного кристалла зависимость относительной диэлектрической проницаемости от направления может быть представлена графически. Если из произвольной точки О кристалла проводить по всевозможным направлениям радиус-векторы r, модули которых r=()1/2 , где - относительная диэлектрическая проницаемость кристалла в направлении r, то концы векторов r будут лежать на поверхности эллипсоида, называемого оптической индикатрисой (рис.5.1).
|
Рис.5.1. Оптическая индикатриса анизотропного кристалла.
|
Оси симметрии эллипсоида определяют три взаимно перпендикулярных главных направления в кристалле. В прямоугольной декартовой системе координат, оси OX, OY и OZ которой проведены вдоль главных направлений, уравнение оптической индикатрисы любого кристалла в главной системе координат имеет вид:
a10x2 +a20y2 +a30z2 =1, (5.1)
где a10, a20, a30 – коэффициенты, соответствующие главным осям значения обратных величин диэлектрических проницаемостей;
a10 = , a20= , a30= , (5.2)
nx, ny, nz - показатели преломления вдоль главных осей.
Линейный электрооптический эффект описывается линейным изменением коэффициентов оптической индикатрисы кристалла при приложении электрического поля.
При приложении электрического поля эллипсоид оптической индикатрисы (5.1.) поворачивается и деформируется. Главные оси данного эллипсоида в общем случае не будут совпадать с исходными главными осями. Уравнение оптической индикатрисы в системе координат XYZ примет вид: a1x2+a2y2+a3z2+2a4yz+2a5zx+2a6xy=1. (5.3)
В случае линейного электрооптического эффекта изменение коэффициентов индикатрисы: k=ak-ak0 линейно связано с приложенным полем, соотношением: ak-ak0=rk1Еx+rk2Еy+rk3Еz, (5.4)
где k=1,2,..,6; a40=a50=a60=0.
Коэффициенты rkn образуют тензор третьего ранга, называемый электрооптическим тензором.
В современных электрооптических модуляторах света наиболее широко применяются одноосные кристаллы, принадлежащие классам 42m (дигидрофосфат амония-ADP, калия-KDP и их дейтерированные модификации-DKDP, DAPD), 4mm (титанат бария - BaTiO3) и 3m (ниобат лития-LiNbO3).
Для кристаллов класса 42m из 18 компонент тензора [rkn] не равны нулю лишь три: r52=r41 и r63, а у кристаллов класса 3m - r13=r23, r33, r42=r51, r22=-r12=-r61.
Для одноосных кристаллов коэффициенты в уравнении (5.1) равны: a10=a20=1 /nо2, a30 =1 /ne2, где nо и ne - показатели преломления для обыкновенной и необыкновенной волн.
В зависимости от взаимной ориентации направления электрического поля и волнового вектора света различают поперечный и продольный электрооптический эффекты. Если направление электрического поля и волнового вектора света взаимно перпендикулярны, то электрооптический эффект называется поперечным. Если эти направления параллельны, то электрооптический эффект называется продольным.
Допустим, что электрическое поле в кристалле класса 42m направлено вдоль оси OZ, совпадающей с оптической осью кристалла, т.е.Ex=Ey=0, Ez=E,, тогда из (5.3) с учетом (5.4) имеем: a10(x2+y2)+a30z2+2r63Exy=1 (5.5)
При отсутствии электрического поля сечение оптической индикатрисы плоскостью Z=0 представляет собой окружность (рис. 5.2).
|
Рис.5.2. Сечение оптической индикатрисы плоскостью Z=0.
|
П риложение электрического поля деформирует этот круг в эллипс с главными осями OX' и OY', как показано на рис. 5.2.
Показатели преломления вдоль новых осей OX' и OY' уже зависят от напряженности электрического поля E:
nx'=1/(a10-r63E)1/2n0+1/2(n03r63E) (5.6 a)
ny'=1/(a10+r63E)1/2n0-1/2(n03r63E) (5.6 б)