一种基于三维光线追迹的晶体电光调制方法技术

本发明专利技术涉及一种基于三维光线追迹的晶体电光调制方法，包括：根据晶体的主轴折射率，确定晶体的种类、光轴朝向、通光方向及外加电压方向；根据晶体的通光口径，晶体两端电压，晶体的电光系数确定折射率变化；确定电光调制时激光射入晶体时入射角和方位角的变化范围，并根据入射角和方位角计算入射光矢量和折射光矢量；再根据菲涅尔方程，计算两条折射光线的折射率以及在晶体内传播时产生的相位差；当晶体通电后，晶体由单轴晶体变为双轴晶体，分别计算出两光轴的三维坐标，再根据折射光矢量计算出折射光线的偏振方向矢量，以确定偏振方向矢量与光轴面的夹角；根据相位差和偏振方向矢量与光轴面的夹角，计算出晶体电光调制的光强。计算出晶体电光调制的光强。计算出晶体电光调制的光强。

【技术实现步骤摘要】
一种基于三维光线追迹的晶体电光调制方法


[0001]本专利技术属于激光雷达成像
，具体涉及一种基于三维光线追迹的晶体电光调制方法。

技术介绍

[0002]电光调制是基于线性电光效应（普克尔效应）即光波导的折射率正比于外加电场变化的效应。电光效应导致的相位调制器中光波导折射率的线性变化，使通过该波导的光波有了相位移动，从而实现相位调制。晶体中沿其光轴传播的光场的空间和偏振特性以一种特殊的方式耦合。当晶体作为固体激光材料被使用时，可以观察到许多特殊现象，如果沿光轴产生激光光束，其锥光干涉将决定其空间结构和偏振态，从而这就为控制光束的空间和偏振特性提供了一种可能性。
[0003]现有技术中利用光线追迹来描述偏振光在晶体内的传播过程。通常用琼斯矩阵和穆勒矩阵来描述偏振光在二维坐标系统中传播时的偏振态变化，然而这两种方法对于存在入射角的三维成像场景并不适用。现有技术还提出了利用三维相干矩阵对偏振光在各向异性介质中传播的偏振态进行求解，然而对于双轴晶体的电光特性并未分析。
[0004]因此，如何解决现有技术不能分析任意入射条件的光线在电光晶体中传播规律和偏振态变化过程，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

技术实现思路

[0005]为实现本专利技术目的提供的一种基于三维光线追迹的晶体电光调制方法，包括：步骤S101：根据晶体的主轴折射率，确定晶体的种类、光轴朝向、通光方向及外加电压方向；步骤S102：根据晶体的通光口径、电光系数和晶体两端电压确定由外加电压引起的折射率变化；步骤S103：确定电光调制时激光射入晶体时入射角和方位角的变化范围，并根据所述入射角和方位角计算入射光矢量和折射光矢量；步骤S104：根据所述折射光矢量，基于各向异性介质中的菲涅尔方程，计算由于双折射效应产生的折射光线的折射率以及在晶体内传播时产生的相位差；步骤S105：当晶体通电后，晶体由单轴晶体变为双轴晶体，分别计算出两光轴的三维坐标，再根据所述折射光矢量计算出折射光线的偏振方向矢量，并确定所述偏振方向矢量与光轴面的夹角；步骤S106：根据所述步骤S104得到的相位差和步骤S105确定的偏振方向矢量与光轴面的夹角，确定晶体电光调制的光强分布表达式。
[0006]在其中一些具体实施例中，晶体采用铌酸锂晶体，铌酸锂晶体的折射率椭球方程如下式所示：
；式中，X、Y、Z为所述铌酸锂晶体的折射率主轴，n
o
为寻常光折射率，n
e
为异常光折射率，其中，n
o
=2.2797、n
e
=2.1969。
[0007]在其中一些具体实施例中，步骤S102中的折射率变化根据下式确定：；式中，d为晶体通光口径，V为晶体两端电压，为晶体的电光系数，n
o
为寻常光折射率，n
o
=2.2797。
[0008]在其中一些具体实施例中，步骤S103中的入射光矢量k
i
在三维坐标系下根据下式确定：；折射光矢量k根据电磁场理论确定，如下式所示：；式中，为入射角，为方位角，n
i
为入射光的折射率，n为折射光的折射率。
[0009]在其中一些具体实施例中，在步骤S104中，各向异性介质中的菲涅尔方程（Fresnel Equation）根据下式确定：；式中，k
x
、k
y
、k
z
为折射光矢量k在X、Y、Z轴方向下的分量，n为折射光的折射率，n1、n2、n3分别为折射光在X、Y、Z轴方向下的折射率。
[0010]在其中一些具体实施例中，在步骤S104中，折射光线包括折射光线A和折射光线B，折射光线A和折射光线B的折射率分别为n
a
、n
b
，根据下式确定：；；其中，；
；。
[0011]在其中一些具体实施例中，步骤S104中的相位差根据下式确定：；式中，λ为激光波长，L为晶体通光方向长度，n
a
为折射光线A的折射率，n
b
为折射光线B的折射率，为折射光线A的折射角，为折射光线B的折射角，为所述折射光线A的折射角与折射光线B的折射角的平均值，其中，。
[0012]在其中一些具体实施例中，在步骤S105中，两光轴的三维坐标分别记为N1和N2，表示如下：；，其中，为所述两光轴分别与三维坐标系中Z轴的夹角。
[0013]在其中一些具体实施例中，在步骤S105中，根据下式确定折射光线的偏振方向矢量E：；；式中，k为折射光矢量；k
a
为折射光线A的折射光矢量；k
b
为折射光线B的折射光矢量；偏振方向矢量E与光轴面的夹角根据下式确定：；
式中，是XOY平面的法线，为入射角，为方位角。
[0014]在其中一些具体实施例中，在步骤S106中，晶体电光调制的光强根据下式确定：；式中，为折射光线的偏振方向矢量E与光轴面的夹角，为折射光线A和B在晶体内传播时形成的相位差。
[0015]本专利技术的有益效果：本专利技术的基于三维光线追迹的晶体电光调制方法利用折射率椭球结合麦克斯韦方程组对晶体电光调制特性进行了系统研究，并提出一种基于三维光线追迹的晶体电光调制方法，给出了在任意入射条件下晶体电光调制的偏振态特性、相位延迟、干涉光强分布的表达式。与现有技术相比，本申请提出的研究方法更为科学、效果更加准确，利用本申请提出的方法对晶体电光调制的光强进行计算，并设置实验，本申请提出方法计算的结果与实验结果高度一致。
附图说明
[0016]为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0017]图1是本专利技术一种基于三维光线追迹的晶体电光调制方法一些具体实施例的流程示意图；图2是本专利技术一种基于三维光线追迹的晶体电光调制方法中入射光矢量和折射光矢量的示意图；图3是本专利技术一种基于三维光线追迹的晶体电光调制方法折射率椭球的示意图；图4是本专利技术一种基于三维光线追迹的晶体电光调制方法中电光晶体在不加电压情况下激光经过晶体的实验图；图5是本专利技术一种基于三维光线追迹的晶体电光调制方法中电光晶体在不加电压情况下激光经过晶体的仿真图；图6是本专利技术一种基于三维光线追迹的晶体电光调制方法中电光晶体两端施加半波电压时激光经过晶体的实验图；图7是本专利技术一种基于三维光线追迹的晶体电光调制方法中电光晶体两端施加半波电压时激光经过晶体的仿真图。
具体实施方式
[0018]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。
[0019]实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的符号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于三维光线追迹的晶体电光调制方法，其特征在于，包括：步骤S101：根据晶体的主轴折射率，确定晶体的种类、光轴朝向、通光方向及外加电压方向；步骤S102：根据晶体的通光口径、电光系数和晶体两端电压确定由外加电压引起的折射率变化；步骤S103：确定电光调制时激光射入晶体时入射角和方位角的变化范围，并根据所述入射角和方位角计算入射光矢量和折射光矢量；步骤S104：根据所述折射光矢量，基于各向异性介质中的菲涅尔方程，计算由于双折射效应产生的折射光线的折射率以及在晶体内传播时产生的相位差；步骤S105：当晶体通电后，晶体由单轴晶体变为双轴晶体，分别计算出两光轴的三维坐标，再根据所述折射光矢量计算出折射光线的偏振方向矢量，并确定所述偏振方向矢量与光轴面的夹角；步骤S106：根据所述步骤S104得到的相位差和步骤S105确定的偏振方向矢量与光轴面的夹角，确定晶体电光调制的光强分布表达式。2.根据权利要求1所述的基于三维光线追迹的晶体电光调制方法，其特征在于，所述晶体采用铌酸锂晶体，所述铌酸锂晶体的折射率椭球方程如下式所示：；式中，X、Y、Z为所述铌酸锂晶体的折射率主轴，n
o
为寻常光折射率，n
e
为异常光折射率。3.根据权利要求2所述的基于三维光线追迹的晶体电光调制方法，其特征在于，所述步骤S102中的折射率变化根据下式确定：；式中，d为晶体通光口径，V为晶体两端电压，为晶体的电光系数，n
o
为寻常光折射率。4.根据权利要求3所述的基于三维光线追迹的晶体电光调制方法，其特征在于，所述步骤S103中，在三维坐标系下根据下式确定入射光矢量k
i
：；根据电磁场理论确定折射光矢量k，如下式所示：；式中，为入射角，为方位角，n
i
为入射光的折射率，n为折射光的折射率。5.根据权利要求1所述的基于三维光线追迹的晶体电光调制方法，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙厚鹏，李迎春，郭惠超，栾成龙，张小渔，孟勇承，
申请(专利权)人：中国人民解放军战略支援部队航天工程大学，
类型：发明
国别省市：