diplomrus.ru Контроль плагиата, скидки, гарантии, прямое общение с автором.

diplomrus.ru - Авторское выполнение научных работ на заказ.
Контроль плагиата, скидки, гарантии, прямое общение с автором.
-1-
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального
образования
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ,
МЕХАНИКИ И ОПТИКИ
Утверждаю
Согласовано
“___”_________2010г.
“___”_______________2010г.
___________В.Н.Васильев
_____________С.М. Латыев
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
на тему:
ИЗУЧЕНИЕ ЭФФЕКТА ПОККЕЛЬСА И МОДУЛЯЦИИ СВЕТА
diplomrus.ru - Авторское выполнение научных работ на заказ.
Контроль плагиата, скидки, гарантии, прямое общение с автором.
-2-
Санкт-Петербург
2010г.
diplomrus.ru - Авторское выполнение научных работ на заказ.
Контроль плагиата, скидки, гарантии, прямое общение с автором.
-3-
СПИСОК ИСПОЛНИТЕЛЕЙ
Мартинков
Павел
Андреевич,
студент
группы
3321,
кафедра
компьютеризации и проектирования оптических приборов, факультета Оптикоинформационных систем и технологий.
diplomrus.ru - Авторское выполнение научных работ на заказ.
Контроль плагиата, скидки, гарантии, прямое общение с автором.
-4-
РЕФЕРАТ
В данной работе рассмотрен линейный
электрооптический
эффект –
эффект Поккельса. Рассмотрен он как зависимость показателей преломления
кристалла
от
величины
электрического
поля и
работой модулятора
излучения основанного на этом эффекте. В качестве источника света применен
одномодовый He–Ne лазер, излучение которого линейно поляризовано. В
модуляторе
используются
осуществляется
на
кристаллы
частоте
100
метаниобата лития и модуляция
МГц.
Применение
сканирующего
интерферометра Фабри–Перо позволяет наглядно демонстрировать влияние
модуляции
на
спектр
излучения. А также в реферате рассматриваются
варианты амплитудной и фазовой модуляции излучения, и обсуждается их
отличие
от
ситуации
в
радиосвязи.
diplomrus.ru - Авторское выполнение научных работ на заказ.
Контроль плагиата, скидки, гарантии, прямое общение с автором.
-5-
АННОТАЦИЯ
Данная работа включает в себя введение, теоретическую часть, выводы,
список
использованных
источников
и
приложение(техническую
часть
исследования). Цель состоит в ознакомлении с линейным электрооптическим
эффектом, работой модуляторов излучения, основанных на этом эффекте, и
изучение влияния модуляции на спектр излучения Ключевые слова: эффект
Поккельса, модулятор
МЛ-5, сканирующий
осциллограф, источник питания.
интерферометр
Фабри-Перо,
diplomrus.ru - Авторское выполнение научных работ на заказ.
Контроль плагиата, скидки, гарантии, прямое общение с автором.
-6-
ОГЛАВЛЕНИЕ
АННОТАЦИЯ........................................................ Error! Bookmark not defined.
РАЗДЕЛ1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ ....................................... …………...9
1.1. Распространение света в анизотропной среде Error! Bookmark not defined.
1.2. Линейный электрооптический эффект(эффект Поккельса) Error! Bookmark
not defined.
1.3. Модулятор света ................................................. Error! Bookmark not defined.
1.4. Влияние модуляции света на спектр ................ Error! Bookmark not defined.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ .......................................................................................... 9
СПИСОК ИСТОЧНИКОВ ........................................................................ 20
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 .................................................................................... 21
diplomrus.ru - Авторское выполнение научных работ на заказ.
Контроль плагиата, скидки, гарантии, прямое общение с автором.
-7-
ВВЕДЕНИЕ
В связи с широким применением лазеров в различных областях науки и
техники возникла необходимость эффективного управления и преобразования
лазерного излучения. Одним из видов управления излучением
модуляция,
т.
е.
целенаправленный
процесс изменения
является
каких-либо
характеристик волны (амплитуды, фазы, частоты, поляризации). Модуляция
может осуществляться
областях.
как во временной,
Соответствующие устройства
так и в пространственной
называются
пространственными
модуляторами, временными (или просто модуляторами) и пространственновременными модуляторами, если проводится смешанная пространственновременная модуляция
света. Существует широкий класс
модуляторов,
в
основе действия которых лежат различные физические принципы. Большое
практическое распространение получили временные модуляторы, в основе
работы
которых
преломления
Причем
лежит
вещества
это
эффект
под
Поккельса – изменение
действием внешнего
изменение пропорционально
показателя
электрического
первой
степени
поля.
величины
электрического поля, что возможно только в анизотропных средах. Отсюда
и название – линейный электрооптический эффект. Модуляторы света, в
основе действия
которых
высоким быстродействием:
лежит
эффект
Поккельса,
порядка 10-10–10-11 с.
обладают
весьма
Это дает возможность
diplomrus.ru - Авторское выполнение научных работ на заказ.
Контроль плагиата, скидки, гарантии, прямое общение с автором.
-8-
помимо использования модуляторов для передачи информации формировать
световые
сигналы
сложной
формы
или световые
импульсы
с
очень
коротким фронтом. Применение управляющего сигнала с определенной
частотной зависимостью позволяет использовать модулятор в качестве
синтезатора
спектра, что находит применение при решении некоторых
физических задач.
diplomrus.ru - Авторское выполнение научных работ на заказ.
Контроль плагиата, скидки, гарантии, прямое общение с автором.
-9-
РАЗДЕЛ 1.ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
1.1.Распространение света в анизотропной среде.
diplomrus.ru - Авторское выполнение научных работ на заказ.
Контроль плагиата, скидки, гарантии, прямое общение с автором.
-10-
В данном направлении в двойной лучепреломляющей среде могут
распространяться
с различными фазовыми
скоростями две линейно
поляризованные волны, имеющие взаимно ортогональные поляризации. В
плоскости волнового фронта лежат вектор
направлению с индукцией
совпадает с
и вектор
=µ . Вектор же
, совпадающий по
в анизотропной среде не
и образует некоторый угол α (рис.1)
Для приобретения полной версии работы перейдите по ссылке.
Рис. 1. Расположение векторов
Вектор
в анизотропной среде.
, характеризующий направление потока энергии в волне,
компланарен с векторами
направлении
и
колебаний
,
,
и составляет с вектором
поляризованной
угол α. Если в
волны откладывать
вектор,
модуль которого пропорционален показателю преломления кристалла для
этой волны, и выполнить это построение для всех возможных направлений
и
, то концы векторов опишут замкнутую поверхность, называемую
diplomrus.ru - Авторское выполнение научных работ на заказ.
Контроль плагиата, скидки, гарантии, прямое общение с автором.
-11-
оптической индикатрисой. Оптическая индикатриса полностью определяет
оптические свойства кристалла и в общем случае представляет собой
трехосный эллипсоид. Если x, y, z – главные оси кристалла, то уравнение
индикатрисы имеет вид
(1)
где
,
,
– главные показатели преломления среды.
Для приобретения полной версии работы перейдите по ссылке.
Рис. 2. К определению свойств оптической индикатрисы.
Если пересечь эллипсоид плоскостью, проходящей через его центр и
перпендикулярной к заданному направлению
(рис. 2), то фигурой сечения в
общем случае является эллипс: длины его главных осей определяют
значение n, а их направления – соответствующие направления колебаний
(векторы , ′). Симметрия кристалла налагает определенные требования на
форму и ориентацию оптической индикатрисы. Так для кубических кристаллов,
обладающих
симметрией
относительно
поворотов вокруг
трех
осей,
индикатриса является сферой. Для кристаллов других типов симметрий
(кристаллы
дигидрофосфата
аммония NH4H2PO4,
дигидрофосфата
калия
diplomrus.ru - Авторское выполнение научных работ на заказ.
Контроль плагиата, скидки, гарантии, прямое общение с автором.
-12-
KH2PO4
и
метаниобата
лития
индикатриса
является
сферой.
Для
кристаллов других типов симметрий (кристаллы дигидрофосфата аммония
NH4H2PO4, дигидрофосфата калия KH2PO4 и метаниобата лития LiNbO3)
индикатриса представляет собой эллипсоид вращения вокруг главной оси
симметрии.
Если ось z направить вдоль этой оси, то уравнение индикатрисы будет
иметь вид
(2)
Главная
ось
кристалла
называется
оптической
осью,
а
сами
кристаллы – одноосными. Показатели преломления n0 и ne принято называть
обыкновенными
и
необыкновенными.
Плоскость, проходящая через
оптическую ось кристалла и волновой вектор
плоскостью. Для обыкновенной волны вектор
главной
плоскости,
обыкновенной
направления
(см. рис. 2) перпендикулярен
для необыкновенной –
волны показатель
K, называется главной
преломления
′
лежит
n0
не
в
ней.
зависит
Для
от
, а для необыкновенной может принимать значения от n 0 до
ne , в зависимости от направления
.
diplomrus.ru - Авторское выполнение научных работ на заказ.
Контроль плагиата, скидки, гарантии, прямое общение с автором.
-13-
1.2. Линейный электрооптический эффект (эффект Поккельса)
Электрооптический
эффект
состоит
в
изменении
показателя
преломления среды под действием электрического поля. Если в отсутствие
электрического поля уравнение индикатрисы имеет вид (2), то в результате
наложения
электрического
оптической
индикатрисы.
поля
В
происходят поворот
и
деформация
произвольной прямоугольной
системе
координат уравнение индикатрисы имеет вид [1, 3, 4]:
(3)
По предложению Поккельса, между изменениями поляризационных
констант
поля
и компонентами амплитуды вектора внешнего электрического
существует линейная зависимость
(4)
где
накладывает
- электрооптические коэффициенты. Симметрия
ограничения
на
вид
матрицы
кристалла
электрооптических
коэффициентов. В нашем случае (кристалл метаниобата лития LiNbO3,
diplomrus.ru - Авторское выполнение научных работ на заказ.
Контроль плагиата, скидки, гарантии, прямое общение с автором.
-14-
класс симметрии 3m,) электрическое поле направлено по оптической оси
кристалла:
(5)
Для приобретения полной версии работы перейдите по ссылке.
(12)
(13)
где
определяется формулой (10). Отсюда, пренебрегая постоянной фазовой
задержкой
,
получаем
для
составляющих
вектора
на выходе
кристалла, параллельных и перпендикулярных исходному направлению
,
следующие формулы:
(14)
(15)
Здесь введены обозначения:
Поместим
анализатор
на
пути
и
излучения, прошедшего
.
модулятор.
diplomrus.ru - Авторское выполнение научных работ на заказ.
Контроль плагиата, скидки, гарантии, прямое общение с автором.
-15-
Очевидно,
выделяется при одинаково ориентированных поляризаторе и
анализаторе, а
– при скрещенных. Из соотношений (11) видно, что для
зависящей от времени фазовой задержки (14), (15)
амплитуды
колебаний также зависят от времени, т. е. происходит амплитудная
временная модуляция. Из формул (10), (14), (15) следует также существенное
свойство электрооптической
модуляции –
нелинейная
зависимость
амплитуды модуляции излучения на выходе модулятора от величины
модулирующего
сигнала даже
в
случае
линейного электрооптического
эффекта. Такая нелинейность приводит к появлению в представлении
Фурье для амплитуды электромагнитного поля дополнительных членов, т. е.
к уширению спектра модулированного излучения по сравнению с частотой
модуляции
. Результаты измерений спектра модулированного света
зависят от того, как происходит разложение в спектр – до процесса
детектирования света (т.е. преобразования светового сигнала в электрический)
или после него (рис. 6). Эта зависимость является следствием нелинейности
и инерционности процесса приема света: напряжение Uc или ток Ic на выходе
фотоприемника пропорциональны квадрату напряженности электрического
diplomrus.ru - Авторское выполнение научных работ на заказ.
Контроль плагиата, скидки, гарантии, прямое общение с автором.
-16-
поля, усредненному по
постоянной времени приемника T, существенно
большей периода колебаний
.
(16)
Рис. 6. Две возможные схемы регистрации спектра модулированного
света: 1 – лазер, 2 – поляризатор, 3 – модулятор, 4 – анализатор, 5 –
светоделитель, 6 – сканирующий
фотодетектор (фотодиод
фотодиод),
9
–
с
интерферометр
Фабри-Перо, 7 –
осциллографом), 8 – фотодетектор (лавинный
спектрометр
(быстрый
осциллограф).
(Установка
diplomrus.ru - Авторское выполнение научных работ на заказ.
Контроль плагиата, скидки, гарантии, прямое общение с автором.
-17-
светоделителя 5,
фотодетектора 8
и
спектрометра 9 рекомендуется при
проведении курсовой работы).
По
этой причине при анализе спектра сигнала с фотоприемника
обнаруживаются спектральные компоненты с частотами порядка частоты
модуляции Ω. Во втором способе с помощью интерферометра Фабри-Перо
измеряется интенсивность монохроматических составляющих излучения с
частотами, расположенными вблизи несущей частоты ω0. Кроме того, на
результаты влияет наличие постоянного смещения в модулирующем сигнале.
Пусть управляющее напряжение имеет вид
величины фазовой задержки
. Тогда для
можно записать следующее соотношение:
(17)
где
,
.
Если детектор расположен сразу за анализатором (фотодетектор 8 (рис.
6)), то зависимость интенсивности света от времени легко получить из
формул (14), (15):
(18)
diplomrus.ru - Авторское выполнение научных работ на заказ.
Контроль плагиата, скидки, гарантии, прямое общение с автором.
-18-
(19)
для
,и
(20)
(21)
для
, где
- интенсивность света без модуляции. Используя
известные представления
(22)
(23)
Для приобретения полной версии работы перейдите по ссылке.
Рис. 8. Спектр фазовой модуляции. Вертикальные линии – расчет для
Г/2 = 1,8.
Следует обратить внимание на сходство спектральных распределений
излучения
с
фазовой
временной
модуляцией
и пространственного
распределения поля в зоне Фраунгофера при дифракции на фазовой
гармонической
решетке.
Такая пространственная фазовая модуляция в
практикуме реализуется при дифракции света на ультразвуковой волне в
diplomrus.ru - Авторское выполнение научных работ на заказ.
Контроль плагиата, скидки, гарантии, прямое общение с автором.
-19-
режиме тонкой решетки. Распределение пространственных частот при этом
беспечивается
их
дисперсией
при
распространении
в
свободном
пространстве. Вблизи от решетки, где пространственные составляющие
спектра
еще
не
интенсивности
света
распределения.
Для
успели
не
схемы
существенно
отличается
нашей
сместиться, распределение
от
исходного равномерного
работы
это соответствует случаю
регистрации фотодетектором 8 излучения, не разложенного
в
спектр (до
интерферометра). В работе можно убедиться, что интенсивность излучения
с фазовой модуляцией не содержит переменной составляющей.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
diplomrus.ru - Авторское выполнение научных работ на заказ.
Контроль плагиата, скидки, гарантии, прямое общение с автором.
-20-
СПИСОК ИСТОЧНИКОВ
1. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. М.: Наука, 1970.
2. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Электродинамика сплошных сред. М.:
Наука, 1982.
3. Байбородин Ю. В., Гаража С. А. Электрооптический эффект в
кристаллах. М.: Машиностроение, 1967.
4. Сонин А. С., Василевская А. С. Электрооптические кристаллы.
М.:
Атомиздат, 1971.
5. Мустель Е. П., Парыгин В. Н. Методы модуляции и сканирования света.
М.: Наука, 1970.
6. Спектральный физический практикум.М.: Изд-во МГУ, 1977. Ч. З.
7. Мешков И. Н., Чириков Б. В. Электромагнитное поле. Новосибирск:
Наука. Сиб. отд-ние, 1987.
diplomrus.ru - Авторское выполнение научных работ на заказ.
Контроль плагиата, скидки, гарантии, прямое общение с автором.
-21-
ПРИЛОЖЕНИЕ 1
ГРАФИКИ ФУНКЦИЙ БЕССЕЛЯ J0 и J1
diplomrus.ru - Авторское выполнение научных работ на заказ.
Контроль плагиата, скидки, гарантии, прямое общение с автором.
-22-
X:=0, 0.1…5;
Для приобретения полной версии работы перейдите по ссылке.