高斯光束的传播.ppt

1、4.3 激光束的变换,4.3.1 高斯光束通过薄透镜时的变换,一、普通球面波在通过薄透镜的传播规律,图4-15 球面波通过薄透镜的变换,1. 透镜的成像公式： （4-15）,2. 从光波的角度看，当傍轴波面通过焦距为 f 的透镜时，其波前曲率半径满足关系式 ：,符号：沿光传输方向的发散球面波的曲率半径为正，会聚球面波的曲率 半径为负。,（4-16）,薄透镜的作用改变光波波阵面的曲率半径。,二、高斯光束通过薄透镜的变换,当通过薄透镜时, 高斯光束经过薄透镜变换后仍为高斯光束。若以M1表示高斯光束入射在透镜表面上的波面,由于高斯光束的等相位面为球面,经透镜后被转换成另一球面波面M2而出射,M1与M

2、2的曲率半径Rl及R2之间的关系满足（4-16）式。同时,由于透镜很“薄”,所以在紧挨透镜的两方的波面M1及M2上的光斑大小及光强分布都应该完全一样。以表示入射在透镜表面上的高斯束光斑半径, ， 表示出射高斯束光斑半径。,图4-16 高斯光束通过薄透镜的变换,1. 将透镜的变换应用到高斯光束上，有以下关系：,高斯模通过透镜后仍保持为相同阶次的模，但光束参数R 和(z)已改变！,图4-16 高斯光束通过薄透镜的变换,实际问题中，通常 和 是已知的，此时 ，则入射光束在镜面处的波阵面半径和有效截面半径分别为：,2.出射光束在镜面处的波阵面半径 和有效截面半径 。,经透镜变换后的束腰位置、腰斑大小由

3、以上两式决定.,已知高斯光束的腰斑大小和位置，整条高斯光束传输规律就确定了。,4.3.2 高斯光束的聚焦,实际应用中，为了提高激光的光功率密度，需要对高斯光束进行聚焦。,核心问题：由 、和 如何选择参数，使 最小,图4-16 高斯光束通过薄透镜的变换,一、高斯光束入射到短焦距透镜时的聚焦情形( ),1.象方腰斑位置:,由,在由,代入,得,利用,且要求,则,图4-17 短焦距透镜的聚焦,这与几何光学中的平行光通过透镜聚焦在焦点上的情况类似。,2.象方束腰半径:,讨论,高斯光束聚焦的方法：,1.采用短焦距透镜，使 f 尽量减小,2.加大入射光在透镜面处的光斑半径,(1)通过加大 s 来加大,(2)

4、加大入射光的发散角0从而加大:,用凹透镜直接加大发散角,用两个凸透镜聚焦,束腰半径越小,发散角越大,从而加大,达到缩小聚焦光斑的目的.,高斯光束聚焦的腰斑放大率：,如果 s 足够大,满足条件: 则:,又,这与几何光学中物、象的尺寸比例关系是一致的。,通过以上的讨论我们看到，不论是聚焦点的位置，还是求会聚光斑的大小，都可以在一定的条件下把高斯光束按照几何光学的规律来处理.,二、入射高斯光束的腰到透镜的距离 s 等于透镜焦距 f 的情形,1.象方腰斑位置:,比较：,几何光学：,高斯光束：,2.象方束腰半径:,比较：,s 足够大,根据高斯光束的渐变性可以设想，只要 和 相差不大，高斯光束的聚焦特性会

5、与几何光学的规律迥然不同。,实际应用中，为了减小光束发散角，从而能量不会随距离很快散开，需要对高斯光束准直。,4.3.3 高斯光束的准直,1一、核心问题：改善光束的方向性，即压缩光束的发散角,高斯光束发散角:,腰斑小，光束发散得快，发散角大，,腰斑大，光束发散得慢，发散角小,通过透镜后，像高斯光束发散角：,由此可见，对于有限大小的 ，无法使 。因此，要用单个透镜将高斯光束转换成平面波，从原理上说，是不可能实现的。,如何借助透镜改善高斯光束的方向性？,实际应用中，为了减小光束发散角，从而能量不会随距离很快散开，需要对高斯光束准直。,4.3.3 高斯光束的准直,一、核心问题：改善光束的方向性，即压

6、缩光束的发散角,二、方法：用单透镜； 用望远镜。,用单透镜,高斯光束发散角:,通过透镜后，像高斯光束发散角：,由此可见，对于有限大小的 ，无法使 。因此，要用单个透镜将高斯光束转换成平面波，从原理上说，是不可能实现的。,如何借助透镜改善高斯光束的方向性？,图(4-20) 倒装望远镜系统压缩光束发散角, 用望远镜,通过第一个短焦距（f 1）透镜聚焦，获得极小的腰斑：,通过第二个短焦距（f 2）透镜聚焦，将腰斑变换为：,定义： 高斯光束通过透镜系统后光束发散角的压缩比。 倒置望远镜对普通光线的倾角压缩倍数。,则,首先利用一个短焦距透镜将高斯光束聚焦，获得极小的腰斑；然后再利用一个长焦距透镜改善光束

7、的方向性，达到准直的目的。,由于f2f1，所以M1。 又由于0，因此有M M 1 即：,结论： 高斯光束的准直压缩光束的发散角，改善光束的方向性，,4.4 激光调制技术,激光是一种频率更高的电磁波，它具有很好相干性，因而象以往电磁波（收音机、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。这种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。,一、调制,定义：利用调制讯号去改变载波的某一参数，使其参数按

8、调制讯 号的规律发生变化的过程。,1.目的：通过调制进行信息的传递。,2.调制：把信息加到载波的过程即调制。,二激光调制,1.激光调制：利用激光作为载波进行调制的过程。 1)单色性好。 2) 激光发散角小 3) 具有较好的时间相干性和空间相干性,2.调制器：完成激光调制的装置,4.4.1 激光调制的基本概念,3.调制的分类,1）内调制：是指加载调制信号是在激光振荡过程中进行的，即以调制信号去改变激光器的振荡参数，从而改变激光输出特性以实现调制。,方法：,直接控制激光器泵浦电源，达到调制输出的激光强度，输出的强弱和有无，都受电源的控制。如果利用要传递的信号去控制激光电源，使之通过激光器的电流变化

9、受信号控制，这样发射的激光也就受信号控制了。,在谐振腔内放置调制元件，用信号控制调制元件物理特性的变化，以改变谐振腔的参数，从而改变激光输出特性以实现其调制。,优 点：调制效率高。 缺 点：a.由于调制器放在腔内，等于增加腔内的损耗,降低了输出功率。 b. 调制器带宽受到谐振腔通带的限制,2） 外调制：是指激光形成之后，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，就会使光波的某参量受到调制。,优 点：a.因为调制器和激光形成无关,不影响激光器的输出功率。 b.调制器的带宽不受谐振腔通带的限制， 缺 点：调制效率低。,激光的瞬时光场的表达式,瞬时光的强度为,

10、上式中,如果振幅、频率和相位都为常数，则 表示一个未被调制的信号,如果振幅、频率和相位三个之一受到外加信号的控制而发生变化，则 就成为一个被调制的震荡了。,4.激光调制按其调制的性质可以分为 调幅、调频、调相及强度调制等。,(1)振幅调制振幅调制就是载波的振幅随着调制信号的规律而变化的振荡,若调制信号是正弦信号,则激光幅度调制的表达式为,M为调幅系数,激光强度调制的表达式为,调幅的结果，载波的角频率和初位相都保持不变，振幅则已发生了变化。,M1为强度调制系数,(2)频率调制以调制信号去改变激光振荡的频率,激光频率调制的表达式为,调频的结果，载波的振幅和初位相都保持不变，而角频率 在之外，还有一

11、个增量 ， 称为调频系数。,其中,激光相位调制的表达式为,(3)相位调制）以调制信号去改变激光振荡的相位,其中,调相位的结果，载波的振幅和频率都保持不变，而处位相 在之外，还有一个增量 ， 称为调相系数。,4.4.2 电光强度调制,一、电光强度调制原理 利用晶体的电光效应，根据偏振光的干涉原理来实现 强度调制。,1.自然双折射o光、e光,2.电光效应晶体在外电场的作用下，其折射率发生变化,使通过晶体的不同偏振方向的光之间产生位相差,从而使光的偏振状态发生变化的现象。,光通过这套装置以后输出的光强由下式决定： 只要利用调制信号控制加在晶体上的电压,改变 ” 和 ，则输出光的光强受到调制。,3.

12、结构和原理 (KDP晶体),图(4-21) 电光调制装置示意图,(1)电致折射率变化电光相位延迟,在电光晶体上沿z轴方向施加电压V，由电光效应产生的感应双折射轴 分别与 轴成450角.x 轴称为快轴, y轴称为慢轴.,通过l长的晶体时两束光的位相差：,加电场前折射率,加电场后折射率,为晶体在未加电场之前的折射率,为单轴晶体的线性电光系数,图(4-21) 电光调制装置示意图,(2) 电光强度调制,通过晶体后沿快轴 和慢轴 的电矢量振幅都变为,入射到晶体的在x方向上的线偏振激光电矢量振幅为E，则：,通过通振动方向与 y 轴平行的偏振片检偏后产生的光振幅(见图421(b)分别为 ， ，则有 ，其相互

13、之间的位相差为 。则有：,可见出射光强随外加电压而变，如果把信号加在晶体上，输出光强就随信号而变，就为信号所调制。,可见出射光强随外加电压而变，如果把信号加在晶体上，输出光强就随信号而变，就为信号所调制。如图画出了 曲线的一部分以及光强调制的情形。,由于调制器的工作点在透射曲线的非线行区，故输出光信号失真，光信号的频率为调制信号的两陪。,图(4-22) I/I0-V曲线,为使工作点选在曲线中点处，通常在调制晶体上外加直流偏压 来完成。（插入1/4波片）,如外加信号电压为正弦电压(电压幅值较小)， ，则输出光强近似为正弦形。,图(4-23) 相位调制装置示意图,4.4.3 电光相位调制,电光相位

14、调制原理 相位调制即是用调制讯号的规律来改变激光振荡的相位角。,相位调制器的结构,加电场后，振动方向与晶体的轴相平行的光通过长度为 的晶体，其位相增加为,晶体上所加的是正弦调制电场 ，光在晶体的输入面(z=0)处的场矢量大小是,则在晶体输出面( z=l )处的场矢量大小可写成,式中， 为相位调制度,4.5 激光的偏转技术,光束偏转技术是激光应用(如激光显示、传真和光存储等)的基本技术之一。它可以用机械转镜、电光效应和声光效应等来实现。,4.5.1 机械偏转,机械偏转是利用反射镜或多面反射棱镜的旋转或反射镜的振动实现光束扫描。,4.5.2 电光偏转,电光偏转的原理 电光偏转是利用电光效应来改变光

15、束在空间的传播方向,1. 利用泡克耳斯效应，在电光晶体上施 加电场改变晶体的折射率使光束偏转。,2.结构电光晶体偏转器是由两个晶体棱镜(如KDP棱镜)所组成，如图4-24所示。,图4-24 实际的电光晶体偏转器,制作时,使得两个棱镜在沿z轴方向外加 电场作用下,下面棱镜的快轴方向(x)与上面棱镜的慢轴方向(y )相重合.沿x 方向振动的激光入射时,光束沿 y 方向传播.,如果激光垂直一个直角面射到图4-24所示的下面的直角棱镜上，由折射定律可得出射光的偏转角为,在电光晶体上施加电场后晶体的折射率的改变量为 ，则出射光的偏转角的相应改变量为,图4-24 实际的电光晶体偏转器,3.偏转角,施加电压后，上、下层棱镜中传播时光的折射率为,上式给出了沿z轴施加电场强