激光技术激光调制专题培训课件

1、激光技术激光调制1960年第一台红宝石激光器研制成功，标志着激光科学技术的诞生。从此，激光技术给古老的光学学科带来强大的生命力，引起现代光学应用技术的迅猛发展，也标志着人类认识和改造自然的能力发展到一个新的高度。前 言2二十世纪60年代是Laser发展最快的时期:1961年，He-Ne Laser, Nd 玻璃Q开关Laser, 红宝石倍频Laser ;1962年，半导体Laser用于全息照相；1963年，液体Laser ;1964年，钇铝石榴石Laser, CO2 Laser, 化学Laser 和锁模Laser ;1965年， Laser参量振荡器;1966年， 染料Laser ;1967年

2、， 超短脉冲Laser ;1968年， 金属蒸气Laser ;3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。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。4激光的调制技术和传输技术调Q技术锁模技术选模技术稳频技术各种激光技术就是要改善和提高激光性能。主要有以下几个方面：5一、光波的调制调制的基本概念 激光是一种频率更高的电磁波，它与以往的电磁波（收音机

3、、电视等）一样可以用来作为传递信息的载波。 由激光“携带”的信息(包括语言、文字、图像、符号等)通过一定的传输通道(大气、光纤等)送到接收器，再由光接收器鉴别并还原成原来的信息。6将信息加载于激光的过程称之为调制，完成这一过程的装置称为调制器。其中激光称为载波，起控制作用的低频信息称为调制信号。将调制信号还原成原来的信息的过程称之为解调。光调制改变光波的振幅、强度、频率、相位、偏振等参数，使之携带信息的过程。在光电子学中多采用电光调制、声光调制和磁光调制。7（一）等幅光信号的频谱定域单色光频信号可表示为由多个正弦信号组成的光信号可表示为8（二）光信号的幅度调制（AM）幅度调制 光信号的幅度按照

4、调制信号发生变化。单频调幅光波其中，为调制波角频率；MA为调幅系数，其值在0 1之间。一般情况下，调幅光信号的频谱可通过傅里叶分析得到910（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设 f (t)为单频信号，即则调频光信号可写为其中 Mf 为调频系数，为最大频率偏移量。11通过分析可知，调频光信号的频谱由光载频与无穷对边频组成，边频在载频两侧对称分布。还应该注意，下边带中的奇次级边频与载频反相。虽然理论上调制光信号的频谱具有无限的带宽，但其大多数能量集中在有限的主带中，一般主带宽度可表示为12（四）光信号的相位调制（PM）相位调制 光信号的

5、相位按照调制信号发生变化。相位调制的光信号可写为设 f (t)为单频信号，即则调频光信号可写为其中 为调相系数。13光信号表达式中的角度量实际上是由频率项和相位项组成的，因此对频率或对相位进行调制，都起着调角的作用，故可统称为角度调制。14（五）光信号的脉冲调制脉冲调制 用周期性脉冲序列作为载波，使载波受调制信号的控制而传递信息。脉冲调制的形式主要有：脉冲调幅 (PAM) 、脉冲调频(PFM)、脉冲调相 (PPM) 、脉冲调宽 (PWM) 等。15周期脉冲序列载波16（六）光信号的脉冲编码调制（数字调制）脉冲编码调制 先把模拟信号变换成脉冲序列，进而再变成代表信号的代码来传递信息。实现脉冲编码

6、调制有三个步骤：抽样、量化和编码。17二、电光调制双折射 各向异性晶体中，不同方向具有不同的折射率。因此而使入射光分解为寻常光与非常光的现象称为双折射。电光效应某些晶体材料的折射率因外加电场而发生变化的现象。线性电光效应（Pockel 效应）二次电光效应（Kerr 效应）纵向电光效应外加电场方向与光传输方向一致；横向电光效应外加电场方向与光传输方向垂直。18沿KDP晶体光轴方向施加电场后，根据晶体光学理论，在垂直于电场方向的平面上，存在着两个互相垂直的主振动方向。用一束线偏振光垂直入射到晶体中，若光振动方向与晶体的主振动方向成 45夹角，这束偏振光将被分解成两个振幅相等、互相垂直的线偏振光，它

7、们在晶体中传播方向虽然相同，但传播速度不一样，所以从厚度为 l 的晶体中出射后，这两束线偏振光将有一个固定的相位差。纵向电光幅度调制19相位差其 中 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，可表示为入射光强度21从出射表面得到的 x 和 y 分量则为在 y 方向的总光场为对应的出射光强度为22电光晶体的透过率由前面 (3) 式已经知道即对于某一波长的激光，其透过率T与外加电压成正弦平方关系。通常把相位差

8、与外加电压的关系表示为其中 为产生数值为 的相位差所需要加的外电压。23在 的条件下，把(10)式代入(9)式，可得：可见，输出光强度调制是电压 的线性复制。取对应有241221334455U25钛扩散铌酸锂电光效应调制器： 工作频率16GHz；最大调制电压 20V26例1：计算KDP晶体纵向电光效应的半波电压。使用He-Ne激光，=0.6328m、no=1.51、ne=1.47、 = 10.610-12 m/v。解：例2：计算LN晶体横向电光效应的半波电压，使用He-Ne激光，=0.6328m、no=2.29、ne=2.16、 = 3.410-12 m/v，晶体的长度与宽度之比为5。解：27

9、超声波在介质中传播时，将引起介质密度疏密交替地变化，其折射率也将发生相应的变化。因此，对于入射光波而言，存在超声波场的介质可视为一个光栅，光栅常数等于声波波长。声光调制器利用衍射光的性质来实现光的调制和偏转。入射光被超声光栅衍射，衍射光的强度、频率和方向都随超声场而变化。（一）声光效应三、声光调制28声波在介质中传播分为行波和驻波两种形式。行波形成的超声光栅在空间是移动的，介质折射率的瞬时空间变化可表示为其中，为声波的角频率；为声波的波数。驻波形成的超声光栅是固定在空间的，可以认为是两个相向行波叠加的结果，介质折射率随时间的变化可表示为29（二）布拉格衍射当声波频率较高，声光作用长度 L 较大

10、时，如果光线与声波面之间的角度满足一定条件，将产生布拉格衍射。1、布拉格衍射条件光子（声子）的能量为光子（声子）的动量为声光相互作用满足能量及动量守恒设 、 和 分别是入射光、衍射光和声波的角频率， 、 和 分别是它们的波矢量。30布拉格衍射动量三角形由动量三角形可推出布拉格衍射条件为312、布拉格衍射效率布拉格衍射的零级和一级光强度分别为（Us 是光波通过超声场引起的相移）一级光衍射效率为其中，M2是一个由声光晶体本身性质决定的量，称为声光优值。Is是超声强度。32（三）声光调制器1、组成声光晶体、压电换能器、吸声（反射）装置、驱动源等2、工作原理驱动源产生高频电功率信号；压电换能器（压电晶

11、体）将电功率信号转换成超声波；超声波耦合到声光介质中；介质在超声波作用下，折射率发生变化，形成光栅，对入射光波进行调制。333、效率（1）电能转换效率 换能器上电功率与驱动源输出电功率之比要获得最大的电能转换效率，应该使换能器和驱动源的阻抗相匹配。（2）电声转换效率 声光介质中的超声功率与加到换能器两端的功率之比电声转换效率取决于压电晶体的机械耦合效率以及压电晶体与声光晶体之间的声阻抗匹配。（3）超声利用率 参与声光相互作用的超声能量占介质中总超声波能量的比值为了提高晶体内部的超声利用率，就要考虑声束和光束匹配问题。光束与声束的发散角之比为 1.5 时，利用率最高。The end341、旋光效

12、应线偏振光通过旋光介质时，振动平面会相对原方向转过一个角度。l 为光在介质中通过的距离。（一）磁光效应为旋光率，它与光波长、介质的性质及温度有关。 旋转角度 旋转方向对着光线观察时，使光振动矢量顺时针旋转的介质叫右旋光介质；使光振动矢量逆时针旋转的介质叫左旋光介质。四、磁光调制352、磁致旋光效应（法拉第效应）M.Faraday(1791-1876)1846年，法拉第（M. Faraday）在探索电磁现象和光学现象之间的联系时，发现了一种现象：当一束平面偏振光穿过介质时，如果在介质中，沿光的传播方向上加上一个磁场，就会观察到光经过样品后偏振面转过一个角度，即磁场使介质具有了旋光性，这种现象后来

13、就称为法拉第效应。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。之后费尔德（Verdet）对许多介质的磁致旋光进行了研究，发现了法拉第效应在固体、液体和气体中都存在。 36l 为光在介质中通过的距离；B 为磁感应强度；V 是费尔德常数，与物质性质有关。 旋转角度 旋转方向法拉第效应的旋光方向决定于外加磁场方向，与光的传播方向无关（即法拉第效应具有不可逆性）。37（二）磁光调制根据马吕斯定律，如果不计光损耗，则通过起偏器，经检偏器输出的光强为：为起偏器与检偏器透光轴之间夹角或 时的输出光强。 38在两个偏振器之间加一个由励磁线圈（调制线圈）、磁光调制晶体和低频信号源组成的低频调制器。调制励磁线圈所产生的正弦交变磁场为磁光调制晶体产生交变的振动面旋转角称为调制角幅度。39由此式可知，当 一定时，输出光强仅随 变化。因为 是受交变磁场 B 或信号电流 控制的，所以信号电流使光振动面旋转，将电信号转化为光的强度调制，这就是磁光调制的基本原理。输出光强变为40（三）磁光隔离器固有旋光效应的旋光方向与光的传播方向有关，即随着顺光线和逆光线的方向观察，线偏振光的偏振面的旋转方向是相