磁光调制
第六讲 激光技术一： 激光调制
第六讲 激光技术一:激光调制
（三）光信号的频率调制（FM）
频率调制 —— 光信号的频率按照调制信号发生变化。
频率调制的光信号可写为
E t E 0 co 0 k fs ft ] t { 0 } [
设 f (t)为单频信号，即
ftaco sts
则调频光信号可写为
E t E 0 co 0 t 0 s M f[ ss i t ]n
19
相位差 其中
2 n y ' n x 'l n x ' n o 1 2 n o 36E 3 z
( 1 )
( 2 a )
n y ' n o 1 2 n o 36E 3 z
(2 b )
no —— KDP晶体中寻常光 (o光) 的折射率 Ez —— 外加在 z 轴上的电场强度
得到 2n o 36 l3 z E 2n o 36 U 3 ( 3 )
3
1970年，异质结半导体Laser， 真空紫外分子Laser；
而 后，高气压气体Laser，气动Laser， 高功率化学Laser, 准分子Laser， 自由电子Laser等。
至今已有几千种Laser。不断改进其性能，提高其 效率和功率、压缩其脉冲宽度以及改变输出频率 等(以适应各种应用和科学研究的需要)，是研究 Laser的重要内容之一。
U 是加在 z 轴方向的电压 20
在晶体的入射表面上，入射光场平行于 x，与电致双折射 轴 x’ 和 y’ 均成 45°角，所以在这两个方向上存在相等的 同相位分量，可表示为
实验四 磁光调制实验
实验四、磁光调制实验[实验目的]1.了解法拉第效应的工作原理；2.掌握磁光调制器件性能参数的测量方法；[实验原理]原来没有旋光性的透明介质，如水、铅玻璃等，放在强磁场中，可产生旋光性，这种现象称为法拉第效应。
具体的现象是，把磁光介质放到磁场中，使光线平行于磁场方向通过介质时，入射的平面偏振光的振动方向就会发生旋转，转移角度的大小与磁光介质的性质、光程和磁场强度等因素有关。
对于不同的介质其振动面的旋转方向不同，顺着磁场方向看，使振动面向右旋的，称为右旋或正旋介质，反之，则称为左旋或负旋介质。
ψ＝VlBcosα式中，ψ为振动面旋转的角度， l为光程，B为磁感应强度，α为光线与磁场的夹角，V为比例常数，称费尔德常数，单位rad/Tm，它与磁光介质和入射光的波长有关，是一个表征介质磁光特性强弱的参量。
对于给定的磁光介质，振动面的旋转方向只决定于磁场方向，与光线的传播方向无关。
这点是磁光介质和天然旋光介质之间的重要区别。
就是说，天然旋光性物质，它的振动面旋转方向不只是与磁场方向有关，而且还与光的传播方向有关。
例如，光线两次通过天然性的旋光物质，一次是沿着某个方向，另一次是与这个方向相反，观察结果，振动面并没旋转。
可是磁光物质则不同，光线以相反的两个方向两次通过磁光物质时，其振动面的旋转角是叠加的。
因此，在磁致旋光的情况下，使光线多次通过磁光物质可得到旋转角累加。
图1 磁光调制器结构简图磁光调制器就是根据法拉第效应制成的，其结构见图67-1。
将磁光介质（铁钇石榴石Y3Fe5O12或三溴化铬CrBr3）置于激磁线圈中。
在它的左右两边，各加一个偏振片。
安装时，使它们的光轴彼此垂直。
没有磁场时，自然光通过起偏振片变为平面偏振光通过磁光介质。
达到检偏振片时，因振动面没有发生旋转，光因其振动方向与检偏振片的光轴垂直而被阻挡，检偏振片无光输出。
有磁场时，入射于检偏振片的偏振光，因振动面发生了旋转，检偏振片则有光输出。
光输出的强弱与磁致的旋转角ψ有关。
光学实验二—_电光、声光和磁光调制实验指导书
电光调制实验一 实验原理电光调制实验仪作为高等院校新一代的物理实验仪器，在基础物理实验和相关专业的实验中用以研究电场和光场相互作用的物理过程，也适用于光通讯与光信息处理的实验研究。
电光调制器的调制信号频率可达 Hz 量级，因而在激光通讯、激光显示等领域中有广泛的应用。
（一）电光调制原理某些晶体在外加电场的作用下，其折射率随外加电场的改变而发生变化的现象称为电光效应，利用这一效应可以对透过介质的光束进行幅度,相位或频率的调制，构成电光调制器。
电光效应分为两种类型：（1）一级电光（泡克尔斯—Pockels ）效应，介质折射率变化正比于电场强度。
（2）二级电光（克尔—Kerr ）效应，介质折射率变化与电场强度的平方成正比。
本实验仪使用铌酸锂（LiNbO 3）晶体作电光介质，组成横向调制（外加电场与光传播方向垂直）的一级电光效应。
图1 横向电光效应示意图如图1所示，入射光方向平行于晶体光轴（Z 轴方向），在平行于X 轴的外加电场（E ）作用下，晶体的主轴X 轴和Y 轴绕Z 轴旋转45°，形成新的主轴X ’轴—Y ’轴（Z 轴不变），它们的感生折射率差为Δn ，并正比于所施加的电场强度E ：rE n n 30=∆式中r 为与晶体结构及温度有关的参量，称为电光系数。
n 0为晶体对寻常光的折射率。
当一束线偏振光从长度为l 、厚度为d 的晶体中出射时，由于晶体折射率10910~10１的差异而使光波经晶体后出射光的两振动分量会产生附加的相位差δ，它是外加电场E 的函数： U d l r n rE n nl ⎪⎭⎫ ⎝⎛==∆=3030222λπλπλπδ (1) 式中λ为入射光波的波长；同时为测量方便起见，电场强度用晶体两极面间的电压来表示，即U=Ed 。
当相差πδ=时，所加电压l d r n U U 302λπ== (2) πU 称为半波电压，它是一个可用以表征电光调制时电压对相差影响大小的重要物理量。
法拉第效应磁光调制实验
法拉第效应
1845年，迈克尔·法拉第（M.Faraday）
发现:在穿过介质时，偏振光波会因为外
磁场的作用，转变偏振的方向，这一现
象称为
法拉第效应。
法拉第效应第一次 显示了光和电磁现 象之间的联系，促 进了对光本性的研 究，是光学过程与 电磁学过程有密切 联系的最早证据 。
2.多次拟合结果，累计的系统误差较大
疑问： λ-Θ曲线一定是线性的么
λ-Θ二次拟合
B=498.2mT U=12V
可以做这样的近似
V e dn
2mc d
e 0 ( b c ) mc 2 4
e 0 mc
b
2
总结
4.测量出波长与折射率关系进一步求出电子 的荷质比（误差较大）
计算电子的荷质比
V2m ecddn
dn 2104
d
e dn0.03758
2mc d
算 得 e1.12741011Ckg1 m
实 际 e1.75881011Ckg1 m
实验得到的电子荷 质比比理论值偏小 35%！
误差分析
1.使用特斯拉计测电磁铁中心位置磁场，手 持特斯拉计可能不稳定，造成误差。
(mm)
U-B拟合（线性拟合）
U-B拟合（二次拟合）
B-Θ拟合
λ=580nm
证明Θ与B呈线性关系
对所有的λ进行B-Θ拟合 求出V Θ=VBL
λ/
nm 460 480 500 520 540 560 580 600
斜率
1.075 0.860 0.793 0.689 0.672 0.490 0.522 0.486
（ 1 0 -4）
r2
0.996
0.991Leabharlann 0.9940.996
磁光调制,直接调制
• 然后，再用脉冲编码数字信号对光源进行强度调制。
•数字调制方法优点：
1、在信道上传输过程中引进的噪声和失真，可采用间 接中继器的方式去掉，故抗干扰能力强； 2、其次对数字光纤通信系统的线性要求不高，可充分 利用光源（LD）的发光功率； 3、这种调制方法与现有的数字化设备相兼容。 由于数字调制的这些突出优点，所以其有很好应用的前景。
• 当输入的电流大到使M沿z方向饱和时，则转换效率达到
最大。若器件的T=2.5μ m，蛇形线路中输入0.5A直流电
流，磁光互作用长度L=6mm，则可将输入的TM模 （λ =1.152μ m）52%的功率转换到TE模。磁光波导模式
转换调制器的输出耦合器是一个具有高双折射的金红石
棱镜。
• 使输出的TE和TM模分成20°11′张角的两条光束，输入
光在外加磁场作用下的介质中传播时，其偏振方向发生旋 转，其旋转角度为θ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成正比，即
VHL
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 束线偏振光通过介质时，分解为两个频率相同、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，称为右旋圆偏光，而另一个圆偏振光是逆时针 方向旋转的，称为左旋圆偏光。 这两个圆偏振光无相互作用地以两种略有不同的速度 vR和vL传播，它们通过厚度为L的介质之后产生的相位延 迟。
5.1.3.2 磁光调制器
磁光调制是将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转态,从而达到改 变光强等参数的目的。
z
入射光 起偏器 YIG棒 调制信号 图5-14 磁光调制示意图 检偏器
Hdc
45 z
为了获得线性调制，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。
磁光调制实验报告 -回复
磁光调制实验报告-回复通过建立磁光调制实验系统，掌握磁光效应的原理和应用，并实现对载波的二进制调制、解调和调频过程的观测。
实验原理：磁光效应是指介质中的光在磁场作用下偏振状态的旋转或偏振面的移动。
在磁光效应中，光的振动方向和介质中的磁场方向垂直且相邻两个振动方向的偏转角之间存在比例关系。
在实验中，我们采用了单频光源结合锁相放大器的方式对载波进行调制。
首先，将激光光源通过分束器分为两束，分别经过两个图像旋转器使两束光分别旋转α和−α角，接着将这两束光的振动方向合成一束，指向振荡器的P极板，进而进入样品。
此时，当样品中存在磁场时，光的偏振方向会发生改变。
最后，通过锁相放大器对输出信号进行检测和解调，得到载波的调制信息。
实验装置:实验的主要装置包括激光光源、分束器、图像旋转器、P极板、样品室、锁相放大器等。
实验步骤：1、首先将实验中使用的磁光介质（GdIG）放入样品室中，设置样品温度。
2、打开激光光源和分束器。
将激光光源通过分束器分为两束，分别经过两个图像旋转器使两束光分别旋转α和−α角，合成一束射向P极板的偏振光。
3、打开样品室，并将振荡器调至合适频率并置于样品室中间。
4、给样品加上磁场，调节样品室压强，控制样品温度，使样品处于稳定的工作状态。
5、开启锁相放大器，调节放大器的增益，将输出信号进行检测和解调，得到载波的调制信息，观测得到的曲线图像。
实验结果：实验中得到了不同频率射到GdIG中的激光光的偏振角度，以及载波的调制信息。
调制信息的幅度和相位与磁场的存在和强度有关，从实验结果中可以得到磁场的强度大小和方向对载波调制效果的影响。
实验结论：本实验通过建立磁光调制实验系统，掌握了磁光效应的原理和应用，实现了对载波的二进制调制、解调和调频过程的观测。
实验结果表明，磁场强度的大小和方向对载波调制效果具有明显的影响，为后续磁光效应在通讯和信息处理领域的应用提供了实验基础和方法。
物理实验技术中的磁光调制实验方法
物理实验技术中的磁光调制实验方法磁光调制是物理实验中一种重要的技术方法，可以在光学实验中控制光的传输性能。
通过磁场对材料的磁光性质进行调控，磁光调制实验可以实现光的偏振、幅度和相位的调节，从而在光传输的过程中产生一定的调制效应。
本文将从基本原理、实验仪器和实验步骤三个方面，介绍磁光调制实验的方法和应用。
一、基本原理：磁光调制的基本原理是基于磁光效应。
磁光效应是指在磁场的影响下，材料的折射率会发生变化，从而改变光的传播速度和相位延迟。
具体而言，当光通过具有磁光性质的材料时，会出现棘轮效应和线性磁光效应。
棘轮效应是指光的线偏振方向在磁场的作用下旋转一定角度，而线性磁光效应是指光的相位随磁场的改变而发生变化。
二、实验仪器：进行磁光调制实验需要一些基本的仪器设备。
首先需要一个光源，可以使用激光器或白光源。
其次是一套光学系统，包括透镜、偏振片、分光镜和探测器等。
磁光调制实验还需要一个外加磁场装置，可以使用恒定磁场，也可以使用可调节磁场。
最后，还需要一台计算机和数据采集系统，用于记录和分析实验数据。
三、实验步骤：1. 准备工作：根据实验要求，选择合适的磁光材料和适当的光源。
检查实验仪器的连接情况，确保各个部件正常工作。
2. 光路调整：利用透镜、分光镜和偏振片等光学元件，完成光路的调整。
确保光经过偏振片后，能够以所需的偏振方向进入磁光样品。
3. 材料处理：将磁光样品制备成合适的形状和大小，并进行必要的处理，如去除气泡和表面污染物。
将样品固定于实验台上，保持稳定。
4. 磁场调节：根据实验所需，调节外加磁场的大小和方向。
可以使用恒定磁场装置或可调节磁场装置，确保磁场的稳定性和准确性。
5. 数据采集：通过探测器收集实验数据，并利用计算机进行信号处理和数据分析。
可以记录光强度、偏振角度和相位等参数。
6. 实验结果分析：根据所得数据，分析磁光调制实验的结果。
可以通过比较不同光源、不同磁场和不同样品的实验数据，研究磁光效应的特性。
磁光调制实验倍频法
磁光调制实验倍频法实验三磁光调制实验一、实验目的1、了解磁光调制实验原理;2、研究磁场与光场相互作用的物理过程;3、测量磁光效应的旋光特性和调制特性。
二、主要仪器及装置电光调制实验仪（半导体激光器、起偏器、磁光调制器、钺玻璃晶体、重火石晶体、励磁电磁铁、光电接收组件等)、示波器。
三、实验原理1、磁光效应当平面偏振光穿透某种介质时，若在沿平行于光的传播方向施加一磁场，光波的偏振面会发生旋转，实验表明其旋转角0正比于外加的磁场强度B，这种现象称为法拉第(Fmday)效应，也称磁致旋光效应，简称磁光效应。
即:0 = vlB(3.1)式中l为光波在介质中的路径，v为表征磁致旋光效应特征的比例系数，称为维尔德(Vedet)常数。
由于磁致旋光的偏振方向会使反射光引起的旋角加倍，而与光的传播方向无关，利用这一特性在激光技术中可制成具有光调制、光开关、光隔离、光偏转等功能性磁光器件，其中磁光调制为其最典型的一种。
1、简述调制简述倍频法做直流磁光调制实验的优势。
若用消光法做，则偏振面的旋转角由检偏器在平面偏振光振动方向变化的前后的消光位置来确定。
由于消光位置附近光强变化率小，键盘器的精度不够，确定精确的消光位置就比较困难，影响了旋转角的精确测量。
而用倍频法，检偏器只有在消光位置时出现倍频信号，实验现象明显，检偏器位置准确，因此能精确的测量。
2、简述利用交流磁光调制检测直流调制偏转角的基本原理。
以交流磁光调制出现的标准倍频现象做为基准，检偏器只有在直流调制消光位置时，才出现倍频信号，由此可用示波器上出现的倍频信号来精确确定直流调制消光位置。
通过调节检偏器，重复出现的标准倍频现象来判断磁致旋转角变化角度。
磁光调制实验
实验七 磁光调制实验一、 实验背景介绍（一）概述磁光调制是利用某些晶体的磁光效应，对光信号进行调制，使光信号的幅度随着调制信号的变化而变化，实现把调制信号加载到光信号上。
磁光调制在光电检测，光通讯，光显示等领域有着广泛的应用。
（二）磁光效应原理 磁光效应置于外磁场中的物体，在光与外磁场作用下，其光学特性（如吸光特性，折射率等）发生变化的现象。
法拉第效应 1845年由M.法拉第发现。
当线偏振光（见光的偏振）在介质中传播时，若在平行于光的传播方向上加一强磁场，则光振动方向将发生偏转，偏转角度θ与磁感应强度B 和光穿越介质的长度l 的乘积成正比，即V B L θ=⋅⋅，比例系数V 称为费尔德常数，与介质性质及光波频率有关。
偏转方向取决于介质性质和磁场方向。
2 直流磁光调制当线偏振光平行于外磁场入射磁光介质的表面时，偏振光的光强I 可以分解成如图2所示的左旋圆偏振光I L 和右旋圆偏振光I R ，对应的电矢量为E L 和E R ，两者旋转方向相反。
在磁场作用下，处于磁场中的介质呈现各向异性，由于介质对两者具有不同的折射率n L 和n R ，E L 的传播速度与E R 不同，当它们穿过厚度为L 的介质后会产生相位差，E L 与E R 旋转角度为θL 与θR ，合成电矢量则旋转一个角度θ。
2L L n L πθλ= y=Acos(wt+θ) 初相位的改变 2R R n L πθλ=因θθθθ+=-R L1()()()22L R L R R L Ln n L n n cπωθθθλ=-=-=- （2）其中n R 为在磁场作用下，右旋圆偏振光通过介质的折射率，n L 为左旋圆偏振光通过介质的折射率，c 为真空中的光速。
如折射率差()R L n n -正比于磁场强度B ，即可得（1）式，并由θ值与测得的B 与L 求出维尔德常数V图2 入射光偏振面的旋转运动3 交流磁光调制二、磁光调制实验（一）实验要求1、了解磁光调制实验的原理和方法2、了解磁光调制器用于光通讯的基本原理3、掌握磁光调制器的主要参数的测试方法 （二）实验内容1、测定旋光角与激励电流的关系2、出来晶体的半波电压和工作电压3、观察输出光强极小时，产生的倍频信号4、电光调制实现光通讯演示5、测试电光晶体的消光比和透射率 （三）实验步骤1、实验前的准备（1）按图组成实验系统，首先在光具座上放置好激光器和电接受器（2）设置实验仪（3）光路校准（4）插入起偏器，调节起偏器的高度和转角，使激光束垂直入射镜面，旋转起偏器，使透射光强最大。
光电子技术 磁光调制
磁光调制主要是应用法拉第旋转效应: VBL
一、磁光调制器结构与原理
结构与电光强度调制器 结构相同，需要相互正交的 起、检偏振器。
为了获得线性调制，在 垂直于光传播的方向上加一 恒定的偏置磁场Hdc. 其强度 足以使晶体饱和磁化。它不 仅影响透射光的旋转角，还 影响透射光的振幅，因而影 响透过率。
§3.4磁光调制
工作时，高频信号
电流通过线圈就会感生 出平行于光传播方向的 磁场，入射光通过磁光 晶体YIG(钇铁石榴石: Y3Fe5O12)时，由于法 拉第旋转效应，其偏振 面发生旋转，旋转角正H t
H dc
L0
(3 64)
s是单位长度饱和法拉
第旋转角；H 0 sinH t
是调制磁场。
再通过检偏器，就可以获得一定强度变化的调制光。
§3.4磁光调制
二、磁光调制器特点 优点：工作所需的功率低，受温度影响小。 缺点：仍限于红外波段。 实际上，磁光器件更多地用于光隔离器等光通信器
件。
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半导体激光器的输出特性
半导体激光器的光谱特性
为使调制不产生畸变，需要做到：
1、输出功率与电流呈良好的线性关系。
2、采用条宽较窄结构的激光器。
3、直接调制的半导体激光器的能力受到脉冲宽 度与频宽的限制，故在高频调制下宜采用量子阱 器或其他外调制器
2．半导体发光二极管(LED)的调制特性
【LED的工作原理】
【调制过程】
模拟信号 抽样 量化 编码 实现电-光的调制
参考文献： 1．《激光原理》，陈钰清主编，国防工业 出版社，2003年1月 2．《激光技术》，蓝信钜，等编著，科学 出版社，2000年8月
直接调制原理图
2.1 直接调制 1、半导体激光器(LD)的调制特性
【LD的工作原理】
半导体激光器是向半导体PN结注入电流， 实现粒子数反转分布，产生受激辐射，再利 用谐振腔的正反馈，实现光放大而产生激光 振荡的。
(a)电原理图 (b)调制特性曲线
半导体激光器调制
• 半导体激光器的输出特性及光谱特性
线性磁光调制示意图
直接调制的原理 直接调制是指加载的调制信号在激光震荡的过程 中进行，以调制信号的规律去改变振荡的参数， 从而达到改变激光输出特性实现调制的目的直接 调制只适用于半导体激光器和发光二极管，这是 因为发光二极管和半导体激光器基本上与注入电 流成正比，而且电流的变化转换为光频调制也呈 线性，所以可以通过改变注入电流来实现光强度 调制。 例如，利用调制讯号直接控制激光器的泵浦 电源来调制激光器的输出参数（一般激光强 度），一般在半导体激光器中应用。
磁光调制
（原理及直接调制）
09级物理学一班 高菲
磁光效应：光通过磁化的物体时，其传播特 性发生变化。 • 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 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。
半导体发光二极管(LED)是在半导体PN结或类似 的结构中通以正向电流，以高效率发出可见光或 红外辐射的器件。
球 透镜 环 氧树 脂 P层 有 源层 n层 发 光区
微 透镜 P型 限 制 层 有 源层 波 导层 n型 限 制 层
图 4 两类发光二极管(LED)
(a) 正面发光型； (b) 侧面发光型
产生相位差，合成矢量，则旋转一个角度Ф：
2
这就是说，在磁场作用下，一束平面偏振光 沿着磁场方向通过介质后，它的电矢量的振 动方向旋转了一个角度，也就是该平面偏振 光的偏振面旋转了一个角度。 磁致旋光效应的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。
2、磁光调制
磁光调制是将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 光波的偏转态,从而达到改变光强等参数的 目的.
1. 在磁场作用下介质性，其光轴方向为沿着磁场的方向。当一 束平面偏振光和沿着磁场方向通过磁场中介 质的时候，便会产生如图1所示的情形：
图1 平面偏振光沿磁场B通过介质
图2 在波振面内平面偏振光电矢量的旋转
设平面偏振光的电矢量为，角频率为，研究 问题时我们可以把看成两个圆偏振光成分 （左旋圆偏振光和右旋圆偏振光）的矢量合 成。在磁场作用下通过介质时，我们可以认 为传播速度比慢，那么通过介质后和之间将
1）．半导体光源的模拟调制
a) 驱动电路
b) 调制曲线
【调制深度m 】
当m大，调制信号幅度大．则线性较 差；当m小，虽然线性好，但调制信 号幅度小。
3．半导体光源的脉冲编码数字调制 数字调制必须对信号进行抽样，量化“编码 ”变成矩形脉冲。目前数字通信发展快，因 为它比模拟调制抗干扰能力强，对数字光通 信设备的线性要求不高，可充分利用LD的输 出功率，数字通信设备便于和脉冲编码调制 （PCM）电话终端相连接，从而组成既能传 输电话、彩色电视，又能传输计算机数据的 多媒体综合通信系统。 数字调制原理：数字调制是用二进制数 字信号“l”码和“0”码对光源发出的光波 进行调制。