激光测量第一章16

1、1.6 激光调制技术激光调制技术v1.光调制的意义光调制的意义所谓所谓“调制调制”，是按照人类应用的需求（以信，是按照人类应用的需求（以信息的形式出现）对光波进行息的形式出现）对光波进行“调节调节”与与“控控制制”，从而将信息加载到光波上去。，从而将信息加载到光波上去。为什么要用光波作为信息载体为什么要用光波作为信息载体？v转播速度快转播速度快,信息容量大信息容量大v可以用光学系统进行变换可以用光学系统进行变换,光盘存储光盘存储v可以在透明介质中传输（光纤、水可以在透明介质中传输（光纤、水）v可以不用介质传输（真空、太空可以不用介质传输（真空、太空）v可独立传播，互不干扰。可独立传播，互不干扰

2、。加载了信号的光波以群速度传播。加载了信号的光波以群速度传播。1.6 激光调制技术激光调制技术激光作为信息载体的优点：易于调制、可利易于调制、可利用的频带宽用的频带宽 、传输信息的容量大、传输信息的容量大；调制及其分类调制及其分类激光调制激光调制将信息加载于激光的过程 ；激光调制器激光调制器完成将信息加载于激光过程的装置；激光激光载波（Carrier），携带信息的载体； 起控制作用的信号（低频信号）起控制作用的信号（低频信号）调制信号；被调制的载波被调制的载波已调波或调制光Modulated wave；1.6.1调制的基本概念v2.调制的基本形式调制的基本形式按着调制器件和激光器的关系，按着调

3、制器件和激光器的关系，调制可以分为调制可以分为内调制内调制和和外调制外调制。内调制内调制： 加载调制信号是在激光加载调制信号是在激光振荡过程中振荡过程中进行的，即进行的，即以调制信号来改变激光以调制信号来改变激光器的某一参数，从而改器的某一参数，从而改变激光的输出特性变激光的输出特性 0.20.40.60.81.01.21.41.51.00.50.51.01.50.20.40.60.81.01.21.41.51.00.50.51.01.50.20.40.60.81.01.21.41.51.00.50.51.01.50.20.40.60.81.01.21.41.51.00.50.51.01.5改

4、变激光器的泵改变激光器的泵浦强度浦强度改变激光器的腔改变激光器的腔内损耗内损耗v外调制外调制：激光形成之后激光形成之后进行调制在激光器外的光路上放置调制器，用调制信号改变调制器的物理特性，当激光通过调制器时，会使光波的某个参量发生变化就会使光波的某参量随着调制信号而变化 0.20.40.60.81.01.21.41.51.00.50.51.01.50.20.40.60.81.01.21.41.51.00.50.51.01.5典型的模拟式调制 单色平面波的表达式为单色平面波的表达式为 通过改变激光载波的特征参量，可以对激光载波进行调制。1.调幅调幅振幅调制：使载波的振幅随调制信号的变化而变化。振

5、幅调制：使载波的振幅随调制信号的变化而变化。2.调频调频频率调制：使载波的频率随调制信号的变化而变化。频率调制：使载波的频率随调制信号的变化而变化。3.调相调相相位调制：使载波的相位随调制信号的变化而变化。相位调制：使载波的相位随调制信号的变化而变化。4.强度调制：强度调制：使载波的光强随调制信号的变化而变化使载波的光强随调制信号的变化而变化。0 00 0( ( ) )c co os s( () )E E t tA At t 0 00 0( ( ) )c co os s( () )E E t tA At t 设激光的设激光的瞬时电场强度瞬时电场强度为为则则光强度光强度为为设调制信号为设调制信号

6、为 幅值幅值调制为调制为: 强度强度调制为调制为: 频率频率调制为调制为: 相位相位调制为调制为:2 22 22 20 00 0( ( ) )( ( ) )c co os s ( () )I I t tE Et tA At t ( )cos( )cosmmmma tAta tAt 0 00 02 20 00 00 00 00 00 0( ( ) )( (1 1c co os s) )c co os s( () )( ( ) )( (1 1c co os s) )c co os s( () )( ( ) )c co os s( (s si in n) )( ( ) )c co os s( (s

7、si in n) )A Am mi im mf ff fm mP Pp pm mE E t tA AM Mt tt tI It tA AM Mt tt tE E t tA At tM Mt tE E t tA At tM Mt t M,调幅系数调幅系数 ，Mi强度调制系数强度调制系数, Mf调频系数调频系数,Mp调相系数调相系数 其中其中M, Mi远小于远小于1 典型的模拟式调制典型的模拟式调制一、振幅调制一、振幅调制激光光波的振幅随着调制信号的变化规律而变化。激光光波的瞬时电场强度： 00coscosE tAtAt0A为振幅； 为角频率；为相位角(初相位)； 总相角； 00 t振幅调制振幅调

8、制时， 不再是常数，而是与调制信号成比例的函数 。A 000coscosE tA ttAka ttk为比例系数， 为调制信号； ta cosmma tAt 为调制信号的振幅， 为角频率； mAm载波载波调制信号调制信号调制光调制光调幅波的包络线的形状和调制信号一致调幅波的包络线的形状和调制信号一致；载波频率维持不变载波频率维持不变；振幅较之未调制波多了一个与调制信号成比例振幅较之未调制波多了一个与调制信号成比例的增量。的增量。由图可知：由图可知：“调幅系数调幅系数”调幅振荡中振幅最大增量振幅最大增量与振幅平均值之间的比值 。max0maxmin00maxminAAAAAMAAAA01M当当调制

9、系数调制系数1时，调制波就要发生时，调制波就要发生畸变畸变；当；当调制调制系数系数1时，称为时，称为100的调制。的调制。调幅的结果使调幅波不再是一个简单的正弦波，根据傅立叶频谱分析，它可分解为不同频率的正弦波之和。由上述讨论可知：由上述讨论可知：将 记为 ，由于 ，则调幅波表达式可写为： mkAA0MA A 000coscosmE tAMAtt二、频率调制和相位调制二、频率调制和相位调制激光载波的频率频率或相位相位受调制信号的控制而按其规律变化。 这两种调制波都表现为总相角的变化，因此统称为角度调制角度调制。 频率调制频率调制角频率 不再是常数，而是一个与调制信号成比例的时间函数 00ftt

10、k a t t是由调制信号决定的频率偏移。 taktf调制波的总相角：调制波的总相角： 00000000ttftftt dtk a tdttk a t dtfk ta为比例系数；为调制信号；若调制信号为正弦变化，正弦变化， cosmma tAt并令并令fmk A /mFM 则则 0sinFmttMt调频波的表达式：调频波的表达式： 00cossinfmE tAtMtfM调频系数，可取任意值任意值；相位调制相位调制调制波的相位相位多了一个与调制信号成比例的增量；增量； 总相角：总相角： 00ttk a t若调制信号为正弦变化，正弦变化， cosmma tAt并令并令mPk AM调相系数；PM则有

11、则有调相波的表达式：调相波的表达式： 00coscosPmE tAtMt调频或调相波的频谱调频或调相波的频谱 可以分解成若干不同频率的正弦波之和正弦波之和。调频和调相波的统一形式：调频和调相波的统一形式： 00cossinmE tAtmt由以上讨论，可得出下述结论下述结论 ：在正弦调制正弦调制下，调频和调相皆为等幅的变周等幅的变周期振荡期振荡，且表达式在形式上相同；两者的区别两者的区别：a.两者的调制方法不同；b.调频系数和调相系数的性质不同；调频：单模激光器调腔长；调相：电光晶体调Q 。（在非正弦调制非正弦调制下，两者不同，此时可以看出调频与调相的差别） ta te角度调制角度调制三、强度调

12、制三、强度调制光载波电场振幅的平方振幅的平方与调制信号成比例， 。 taAc2输出的激光辐射强度激光辐射强度按照调制信号的规律变化。 激光调制通常多采用强度调制形式强度调制形式。原因在于原因在于：光接收器光接收器（探测器）一般直接响应其所接收的光强度变化光强度变化。 光载波的强度定义为电场的平方，光载波的强度定义为电场的平方， 22200cosItetAt因此，有调制光强：因此，有调制光强： 22001cos2pAI tk a tt为比例系数；pk若调制信号为正弦变化，正弦变化， cosmma tAtpmIk AMIM强度调制系数 此时有，此时有， 2001coscosImI tAMtt 这是

13、当调制系数 时，比较理想的光强调制公式 。1IM 1.6.2调制方法 （一）电光调制（一）电光调制vKDP晶体的Pockel效应（四）感应主轴的方向v相对于原主轴旋转45o。vKDP晶体变为双轴晶体。331100 632221()znnnEn 调制方法 电光调制 （一） 原理电光效应：某些材料在外加电场的作用下，其折射率发生变化电光效应：某些材料在外加电场的作用下，其折射率发生变化Xyz光轴偏转光轴偏转45度，度， 主折射率分裂为：主折射率分裂为：线偏振光分裂为两束线振光，线偏振光分裂为两束线振光， X，y方向方向 相位差为相位差为 3 30 00 06 63 33 30 00 06 63 3

14、1 12 21 12 2x xz zx xz zn nn nn nE En nn nn nE E 3333063063063063222222()()yxzyxznnnEnVnnnEnV当一束线偏振光沿着当一束线偏振光沿着Z轴方向射入晶体，且轴方向射入晶体，且E矢量沿矢量沿X方向进入晶体方向进入晶体（Z0）即分解为沿 和 方向的两个垂直偏振分量。 xy1112632026320yEnxEnzz3633631212xoozyoozzennnEnnnEnn当它们经过长度当它们经过长度L之后之后，所走的光程分别为 和 。lnxlnyzxnEnnllnx633002122zyxnEnnllny6330

15、02122快光快光 慢光慢光 vnELnz6330633022电光相位延迟电光相位延迟电光调制相位差与所加电压v成正比，通常称为线性电光效应或Pockels效应一般把引起相位差的电压作为电光材料的性能： 称为半波电压， V或者V/2表示 3 30 06 63 32 2V VV VV Vn n （二）电光强度调制（二）电光强度调制 1. 纵向电光调制器纵向电光调制器 纵向电光效应：纵向电光效应：电场方向与通光方向一致；核心部件核心部件光强调制V VV V 1Kdp 引起相位 2波片： /2 2 2V VV V 2.电光相位延迟电光相位延迟 以以KDPKDP类晶体类晶体Z Z向加压向加压，光波沿光

16、波沿Z Z方向传播方向传播为例：为例： xyzx起偏起偏xv电光相位调制电光相位调制Ein感应主轴感应主轴无检偏装置无检偏装置偏振状态不发生改变偏振状态不发生改变边频振荡间隔等于外加电压的频率边频振荡间隔等于外加电压的频率0.51.01.52.01.51.00.50.51.01.50.51.01.52.01.51.00.50.51.01.5三、 声光调制Raman-Nath声光衍射Bragg衍射四、 磁光调制原理:法拉第旋光效应:线性偏振光经过磁性介质后,投射光偏振方向会发生偏转(t)=sLH rfH DCsin t五、电源调制/直接调制定义:直接将调制信号加载于激光电源，从而使激光器发射的激

17、光强度或激光脉冲参数随调制信号而变化的调制，称为电源调制成直接调制六、干涉调制迈克耳逊干涉仪调制光强半导体激光器半导体激光器的基本结构半导体激光器的基本结构半导体激光器的基本特性半导体激光器的基本特性半导体激光器半导体激光器的基本特性半导体激光器的基本特性半导体激光器半导体激光器的基本特性半导体激光器的基本特性半导体激光器激光技术发展简史之一激光技术发展简史之一美国休斯公司实验室一位从事红宝石荧光研究的年轻人梅曼在1960.5.16利用红宝石棒首次观察到激光； 梅曼在7月7日正式演示了世界第一台红宝石固态激光器；他在Nature(8月16日)发表了一个简短的通知。Maiman激光技术发展简史之

18、一激光技术发展简史之一Maiman的第一台激光器中国第一台激光器（中国第一台激光器（19611961）我国激光器研究情况我国激光器研究情况激光器的第一台 研制成功时间 研 制 人 红宝石激光器（我国第一台) 1961年11月邓锡铭、王之江He-Ne激光器 1963年7月 邓锡铭等 掺钕玻璃激光器 1963年6月 干福熹 GaAs同质结半导体激光器 1963年12月 王守武 CO2分子激光器 1965年9月 王润文等激光技术发展简史之三激光技术发展简史之三激光应用技术信息技术方面的应用：光通讯，光存储，光放大，光计算，光隔离器检测技术方面的应用：测长，测距，测速，测角，测三维形状激光加工：焊接，

19、打孔，切割，热处理，快速成型医学应用：外科手术，激光幅照（皮肤科、妇产科），眼科手术，激光血照仪，视光学测量科学研究方面的应用：激光核聚变，重力场测量，激光光谱，激光对生物组织的作用，激光制冷，激光诱导化学过程等等光盘存储器原理光盘存储器原理激光刻蚀与读激光刻蚀与读出出激光全息防伪人民币（建国50周年纪念币）激光显示重庆三峡广场-水幕激光Video激光陀螺仪激光加工与热处理激光焊接、切割、打标、表面处理和工业机器人结合，为未来的制造业提供先进的、精密的、灵巧的特殊加工工具Video1Video2激光眼科治疗激光嫩肤激光脱毛激光去斑激光点痣激光美容激光嫩肤激光去斑激光脱毛激光点痣黄钟律管累黍造尺

20、激光精密测量从开始有测量的时间起，才开始有科学。没有量度，精密科学就没有意义。门捷列夫黄钟律管累黍造尺米定义的三次变更一、飞行时间法二、真空波长法三、稳频激光器米定义的复现一、飞行时间法二、真空波长法三、稳频激光器飞秒激光的典型应用微纳米加工纳米牛Ti:S 780nm, 150fs, 76MHz1.4NA 高倍显微物镜聚焦SCR500 resin ( JSR, Japan )+ urethane acrylate (尿脘丙烯酸脂）光聚合分辨率 120nm牛尺寸 10m 7mNature, Vol. 412, 697.2001 （ H.B. Sun et al ) )纳米弹簧a. 原始状态b.

21、伸展状态c. 阻尼振荡恢复曲线功能器件匈牙利科学院Peter Galajda ，A.P.L, vol.78, 2001飞秒高速摄影光源：飞秒激光时间分辨率：163ns重复频率：6.1MHz快门速度：440ps激光核聚变可控核聚变磁约束核聚变惯性约束核聚变托卡马克激光核聚变粒子束核聚变电流脉冲核聚变激光核聚变的四个阶段激光武器直接利用高度集中的激光能量对敌人和敌人的武器进行杀伤、破坏的武器。特点：1）不需计算弹导，“指哪打哪”。2）不需计算提前量，“说时迟，那时快”。特别适合攻击高速运动的目标。3）无后座之扰；4）不受电子干扰。Laser局限：受天气影响，云雾、雨雪都有是激光难以逾越的障碍。聚焦、光学激光束跟踪系统高能激光束目标探测器升降机发散角0.01毫弧度，跟踪精度1发射望远镜直径1m。安装在15米高的望远镜上。激光排气 / 热 激光器激光燃料箱据称可破坏 10 公里外的低空直升飞机的蒙皮和 20公里远的红外制导导弹和光学传感器前西德 高能激光防空坦克激光控制核聚变激光控制核聚变天文台（激光导航星）来自纳层来自纳层的反射光的反射光（高度约（高度约100km)100km)最大高