第三章-光束的控制

1、第三章第三章 光束的控制光束的控制光束的控制，就是用信息信號對激光輻射進行作用。分類：l根據(jù)調(diào)制的參量：振幅調(diào)制；頻率調(diào)制；相位調(diào)制；光偏轉(zhuǎn)l根據(jù)位置：腔內(nèi)調(diào)制；腔外調(diào)制 3.1 改變激勵電流的內(nèi)調(diào)制改變激勵電流的內(nèi)調(diào)制l電燈泡等熱發(fā)光器件，熱變化慢，調(diào)制頻率低l激光器的調(diào)制頻率與能級壽命有關(guān)lAr+激光4GHz；He-Ne激光1MHz；CO2激光幾KHz；Nd:YAG激光幾KHzl半導(dǎo)體激光和發(fā)光二極管調(diào)制頻率取決于載流子壽命。電流越高，壽命越短，頻率越高l微波+直流46GHzl脈沖編碼l脈沖位置調(diào)制PPMl脈沖寬度調(diào)制PWM3.2 改變激光諧振腔參量的內(nèi)調(diào)制改變激光諧振腔參量的內(nèi)調(diào)制原理：

2、1.改變光學介質(zhì)的折射率電光；聲光；磁光 2.改變諧振腔的Q值：調(diào)Q技術(shù) 3.使各縱模相干疊加：鎖模技術(shù)3.2.1 激光的腔內(nèi)電光調(diào)制激光的腔內(nèi)電光調(diào)制l電光效應(yīng)：某些晶體在外加電場的作用下，折射率發(fā)生變化的一種現(xiàn)象l介質(zhì)在平行于外加電場方向上產(chǎn)生一附加主軸，使入射光產(chǎn)生o光和e光兩分量，其折射率不同，傳輸速度不同，形成光程差nl，感生相移2/ nl,l正比于V2，克爾效應(yīng)；l正比于V，普克爾效應(yīng)克爾克爾Kerr效應(yīng)效應(yīng)l光軸：光沿這個方向傳播時，折射率與偏振無關(guān)l晶體的雙折射： (平面偏振)光束入射到晶體內(nèi)，分解為:(a)尋常光(o光，平行于光軸)； (b)非常光(e光，垂直于光軸)l正晶體

3、none lnone vo ve產(chǎn)生光程差nl 相移 偏振態(tài)改變l克爾效應(yīng)：外加電場 附加主軸 o光和e光產(chǎn)生光程差L =nl=JlV2/d2 lJ:克爾系數(shù)。硝基苯的克爾系數(shù)大。普克爾普克爾Pokels效應(yīng)效應(yīng)l普克爾效應(yīng)是線性電光效應(yīng): Vl橫向普克爾效應(yīng)E k dVnl30l縱向普克爾效應(yīng)E kVn302普克爾普克爾電光效應(yīng)電光效應(yīng)l用折射率橢球可以描述各向異性晶體的光的傳播特性1222222zyxnznynxl單軸晶體中12e22o22o2nznynxlOP傳輸光，作一垂直于OP的面，截得一橢圓，其長短軸大小分別表示兩個偏振向的折射率l對晶體加電壓后，折射率橢球的形狀、大小、方位均發(fā)生

4、變化。普克爾普克爾電光效應(yīng)電光效應(yīng)lKDP(KH2PO4)晶體外加電壓lZ向加電壓，E=Ez0,Ex=Ey=0l變換后2/2/6330063300zyzxEnnnEnnnl新的橢球在x-y平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)45 ，電感應(yīng)主軸x ，y 普克爾普克爾電光效應(yīng)電光效應(yīng)lz軸方向射到晶體上的光是x(或y) 線偏振光l未加電壓時，晶體對各個方向振動沿z軸傳輸?shù)墓獾恼凵渎识枷嗤閚o），因而光通過晶體后不改變偏振態(tài)lz軸方向加電壓后，折射率橢球變形，感應(yīng)主軸方向x和y方向轉(zhuǎn)了45，且感應(yīng)主折射率變?yōu)閚x和ny，x（或y）偏振光就分解為x和y方向二個偏振分量，射出晶體時兩者就有位相差VnnnLoo633z6332

5、EL22l（3.2.3）式。偏振方向發(fā)生改變。橫向加電壓類似激光的腔內(nèi)電光調(diào)制激光的腔內(nèi)電光調(diào)制l具有一定位相差的互相垂直的兩個線偏振光，合成后偏振態(tài)取決于。一般為橢圓偏振光。=/2時，變?yōu)閳A偏振光。=時，仍是線偏振光，但偏振方向旋轉(zhuǎn)了90。所加的電壓稱為半波電壓，用V或V/2 表示l激光腔內(nèi)放置普克耳盒，外加電壓使偏振發(fā)生偏轉(zhuǎn)，調(diào)制光通過布氏窗反射出去6332/2onV3.2.2 Q調(diào)制調(diào)制l調(diào)Q原理Q值定義：P34)dW/dt-W(0Q泵浦時：Q值很低，振蕩閾值很高，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，但沒有激光振蕩輸出粒子數(shù)反轉(zhuǎn)達到峰值，Q值突然增加，振蕩閾值急降，振蕩場迅速增長，輸出巨脈沖(ns)。脈沖泵浦下

6、的調(diào)脈沖泵浦下的調(diào)Q過程過程Q調(diào)制調(diào)制lQ開關(guān)：快門l實現(xiàn)Q開關(guān)作用兩個重要條件l泵浦速率快于上能級的自發(fā)躍遷速率lQ開關(guān)動作快。10nsl調(diào)Q技術(shù)l電光調(diào)Q：克爾效應(yīng)，普克爾效應(yīng)l染料調(diào)Q 可飽和吸收l聲光調(diào)Ql轉(zhuǎn)鏡調(diào)Q電光電光Q調(diào)制調(diào)制l電光Q開關(guān)：克爾盒或普克爾盒加電場l晶體上加電壓，偏振片產(chǎn)生的線偏振光入射，后變成圓偏振，經(jīng)反射鏡后再經(jīng)過晶體，再旋轉(zhuǎn)成為線偏振，但偏振方向差90 ，不能通過偏振片，這時是低Q狀態(tài)，高閾值，激光不能振蕩。電壓為0時，高Q低損低閾值3.2.2 鎖模鎖模l多縱模運轉(zhuǎn)時，各縱模振幅和相位相差很大l鎖模(鎖相)：鎖定各縱模相位?？色@得一系列脈沖輸出(ps,fs)。

7、l超短脈沖可研究基本物理問題1. 鎖模原理鎖模原理l假設(shè)(2N+1)個縱模，振幅E0相同，位相鎖定如下：)(0)(000002/ )sin(2/ )(12sin()(tiqqNNqqtqiettNEeEtEqqqqLc0q,q ,=-0q1 -qql光波總電場l其中鎖模原理鎖模原理l2N+1個模式經(jīng)過鎖定以后，總的光波場變?yōu)轭l率為v0 的單色調(diào)幅波，振幅A(t)即總光波場受到振幅調(diào)制l振幅A(t) 是隨時間變化的周期函數(shù)，光強A(t)2 ，也是時間的函數(shù),光強受到調(diào)制。分母為0時，振幅得到極大值。兩個相繼脈沖時間間隔)(0002/ )sin(2/ )(12sin()(tiqqettNEtEcL

8、22ql此時振幅(2N+1) E0，峰值功率較高，正比于(2N+1)2 E0 2 ，一般非均勻加寬激光器，各模式相位隨機，功率正比于(2N+1) E0 2l=1 /，非均勻加寬帶寬越大，譜線越窄2.鎖模方法鎖模方法l鎖模激光器可理解為腔內(nèi)往返傳輸?shù)囊粋€光脈沖，也可理解為聚集在一起的光子包束在反射鏡之間來回反射l主動鎖模腔內(nèi)加一受外加信號驅(qū)動的主動調(diào)制器，產(chǎn)生頻率為q并隨時間按正弦變化的損耗。激光介質(zhì)聲光器件全反鏡輸出鏡激光2.鎖模方法鎖模方法l被動鎖模腔內(nèi)加一可飽和吸收染料。漂白l主動鎖模穩(wěn)定性和重復(fù)性好，波長范圍寬，脈寬寬；被動鎖模穩(wěn)定性和重復(fù)性差，波長范圍窄，脈寬窄。l可采用主動鎖模和被動

9、鎖模相結(jié)合的技術(shù)。激光介質(zhì)染料盒 全反鏡輸出鏡激光3.3用電光晶體的外調(diào)制用電光晶體的外調(diào)制3.3.1 電光振幅調(diào)制2/2/6330063300zyzxEnnnEnnn起偏器偏振x方向，檢偏器偏振y方向，z=0處，x方向上光頻信號分解x ,y方向檢偏器偏振y方向輸出是ex (L)和ey (L)在y向的分量之和) 1(2/)(0iyeAE)2/(sin2*)()(22000AEEIyy)2/(sin/20iIIT3.3.1 電光振幅調(diào)制電光振幅調(diào)制輸出光強光強透過率z=0處，x方向上光頻信號分解在x ,y方向晶體的入射光強Iiee*=2A2設(shè)ex (0)=ey (0)=Az=L處 設(shè)ex(L)=

10、A, ey(L)=Ae-i相移zxyVnLnn6330/2)(/2)2/(V6330nVV /)(sin)2(sin633022VnVVTTV曲線中，在V /2或V/4處有一近似線性區(qū)。需要加/2偏置，a.加直流電壓。b.插入/4波片=的外加電壓稱半波電壓，V 或V/2則于是2/2/6330063300zyzxEnnnEnnn調(diào)制信號Vmsinmt m=Vm/V則)sin2(21sin)sin2(21sin22tVtVTmmmm)sin1 (21)sinsin(1 21ttTmmmm3.3.1 電光振幅調(diào)制電光振幅調(diào)制其中m1，輸出光強的變化與調(diào)制信號成近似線性關(guān)系。簡化3.3.2 電光相位調(diào)

11、制電光相位調(diào)制l起偏器x(或y)方向lz=0 入射光信號l偏置電場lZ=L 出射光信號tAteicos)(ttEtEmmzsin)()()sin2(cos)2(cos)(63300633000LtEnnctALEnnctAtemmz略去相角常數(shù)項調(diào)相指數(shù)sincos)(0ttAtemp/2/63306330LEncLEnmmp3.3.2 電光相位調(diào)制電光相位調(diào)制l光信號p相位受到的調(diào)制，實質(zhì)也是頻率調(diào)制。經(jīng)電光調(diào)制后，出射光頻信號除原有的頻率光之外，還有 m, 2m等邊頻光。3.4 聲光效應(yīng)的外調(diào)制聲光效應(yīng)的外調(diào)制l聲光效 應(yīng)：超聲波在聲光介質(zhì)中傳播時引起介質(zhì)密度交替的變化，折射率也會發(fā)生相應(yīng)

12、變化，產(chǎn)生相位光柵。光波通過時就會被介質(zhì)中的彈性波所衍射。l聲波在介質(zhì)中形成行波駐波l聲光調(diào)制的兩種基本途徑l喇曼-奈斯衍射l布拉格衍射喇曼喇曼-奈斯衍射奈斯衍射l光束平行于聲波波面入射，0，1級衍射出射，由光闌+透鏡，再組合成一平面波面l改變聲頻改變衍射角改變1級衍射光強弱，達到調(diào)制的目的布拉格衍射布拉格衍射l聲波波長s，速度vs；光波波長，入射角il同一面上兩條光線衍射l只能m=0, i = r/n m)cos-x(cosri布拉格衍射布拉格衍射l相鄰波平面反射光衍射/n sin 2BslB = i = rlB較小，衍射效率高，可以全部以1級衍射出射l聲光柵運動，衍射光產(chǎn)生多普勒頻移c/n

13、sin2c/n2Bss3.4 聲光效應(yīng)的外調(diào)制聲光效應(yīng)的外調(diào)制l聲光調(diào)制器2sin2sin)2(21sins36223221InPLPSLnnLIIsil其中P為光彈性系數(shù)，S為聲應(yīng)變振幅l為工作液體密度，Is為聲強度l聲光調(diào)制曲線與電光調(diào)制相同32ssIS3.5 光束的偏轉(zhuǎn)光束的偏轉(zhuǎn) 電光偏轉(zhuǎn)電光偏轉(zhuǎn)l折射率分布xDnnxn/)(nnL)()(ncLnncLncTTncyBAdxdnnLDnnLDyr/nrrsin/sinDnLdxdnLnrrlA、B兩條光線傳輸產(chǎn)生光程差l晶體內(nèi)輸出面上偏轉(zhuǎn)角l折射定律lr1得zBzAEnnnEnnn63300633002/12/1zrEnDLDnL6330zrELnN2/