激光技術(shù)激光調(diào)制專題培訓課件

1、激光技術(shù)激光調(diào)制1960年第一臺紅寶石激光器研制成功，標志著激光科學技術(shù)的誕生。從此，激光技術(shù)給古老的光學學科帶來強大的生命力，引起現(xiàn)代光學應(yīng)用技術(shù)的迅猛發(fā)展，也標志著人類認識和改造自然的能力發(fā)展到一個新的高度。前 言2二十世紀60年代是Laser發(fā)展最快的時期:1961年，He-Ne Laser, Nd 玻璃Q開關(guān)Laser, 紅寶石倍頻Laser ;1962年，半導體Laser用于全息照相；1963年，液體Laser ;1964年，釔鋁石榴石Laser, CO2 Laser, 化學Laser 和鎖模Laser ;1965年， Laser參量振蕩器;1966年， 染料Laser ;1967年

2、， 超短脈沖Laser ;1968年， 金屬蒸氣Laser ;3至今已有幾千種Laser。不斷改進其性能，提高其效率和功率、壓縮其脈沖寬度以及改變輸出頻率等(以適應(yīng)各種應(yīng)用和科學研究的需要)，是研究Laser的重要內(nèi)容之一。1970年，異質(zhì)結(jié)半導體Laser， 真空紫外分子Laser；而 后，高氣壓氣體Laser，氣動Laser， 高功率化學Laser, 準分子Laser， 自由電子Laser等。4激光的調(diào)制技術(shù)和傳輸技術(shù)調(diào)Q技術(shù)鎖模技術(shù)選模技術(shù)穩(wěn)頻技術(shù)各種激光技術(shù)就是要改善和提高激光性能。主要有以下幾個方面：5一、光波的調(diào)制調(diào)制的基本概念 激光是一種頻率更高的電磁波，它與以往的電磁波（收音機

3、、電視等）一樣可以用來作為傳遞信息的載波。 由激光“攜帶”的信息(包括語言、文字、圖像、符號等)通過一定的傳輸通道(大氣、光纖等)送到接收器，再由光接收器鑒別并還原成原來的信息。6將信息加載于激光的過程稱之為調(diào)制，完成這一過程的裝置稱為調(diào)制器。其中激光稱為載波，起控制作用的低頻信息稱為調(diào)制信號。將調(diào)制信號還原成原來的信息的過程稱之為解調(diào)。光調(diào)制改變光波的振幅、強度、頻率、相位、偏振等參數(shù)，使之攜帶信息的過程。在光電子學中多采用電光調(diào)制、聲光調(diào)制和磁光調(diào)制。7（一）等幅光信號的頻譜定域單色光頻信號可表示為由多個正弦信號組成的光信號可表示為8（二）光信號的幅度調(diào)制（AM）幅度調(diào)制 光信號的幅度按照

4、調(diào)制信號發(fā)生變化。單頻調(diào)幅光波其中，為調(diào)制波角頻率；MA為調(diào)幅系數(shù)，其值在0 1之間。一般情況下，調(diào)幅光信號的頻譜可通過傅里葉分析得到910（三）光信號的頻率調(diào)制（FM）頻率調(diào)制 光信號的頻率按照調(diào)制信號發(fā)生變化。頻率調(diào)制的光信號可寫為設(shè) f (t)為單頻信號，即則調(diào)頻光信號可寫為其中 Mf 為調(diào)頻系數(shù)，為最大頻率偏移量。11通過分析可知，調(diào)頻光信號的頻譜由光載頻與無窮對邊頻組成，邊頻在載頻兩側(cè)對稱分布。還應(yīng)該注意，下邊帶中的奇次級邊頻與載頻反相。雖然理論上調(diào)制光信號的頻譜具有無限的帶寬，但其大多數(shù)能量集中在有限的主帶中，一般主帶寬度可表示為12（四）光信號的相位調(diào)制（PM）相位調(diào)制 光信號的

5、相位按照調(diào)制信號發(fā)生變化。相位調(diào)制的光信號可寫為設(shè) f (t)為單頻信號，即則調(diào)頻光信號可寫為其中 為調(diào)相系數(shù)。13光信號表達式中的角度量實際上是由頻率項和相位項組成的，因此對頻率或?qū)ο辔贿M行調(diào)制，都起著調(diào)角的作用，故可統(tǒng)稱為角度調(diào)制。14（五）光信號的脈沖調(diào)制脈沖調(diào)制 用周期性脈沖序列作為載波，使載波受調(diào)制信號的控制而傳遞信息。脈沖調(diào)制的形式主要有：脈沖調(diào)幅 (PAM) 、脈沖調(diào)頻(PFM)、脈沖調(diào)相 (PPM) 、脈沖調(diào)寬 (PWM) 等。15周期脈沖序列載波16（六）光信號的脈沖編碼調(diào)制（數(shù)字調(diào)制）脈沖編碼調(diào)制 先把模擬信號變換成脈沖序列，進而再變成代表信號的代碼來傳遞信息。實現(xiàn)脈沖編碼

6、調(diào)制有三個步驟：抽樣、量化和編碼。17二、電光調(diào)制雙折射 各向異性晶體中，不同方向具有不同的折射率。因此而使入射光分解為尋常光與非常光的現(xiàn)象稱為雙折射。電光效應(yīng)某些晶體材料的折射率因外加電場而發(fā)生變化的現(xiàn)象。線性電光效應(yīng)（Pockel 效應(yīng)）二次電光效應(yīng)（Kerr 效應(yīng)）縱向電光效應(yīng)外加電場方向與光傳輸方向一致；橫向電光效應(yīng)外加電場方向與光傳輸方向垂直。18沿KDP晶體光軸方向施加電場后，根據(jù)晶體光學理論，在垂直于電場方向的平面上，存在著兩個互相垂直的主振動方向。用一束線偏振光垂直入射到晶體中，若光振動方向與晶體的主振動方向成 45夾角，這束偏振光將被分解成兩個振幅相等、互相垂直的線偏振光，它

7、們在晶體中傳播方向雖然相同，但傳播速度不一樣，所以從厚度為 l 的晶體中出射后，這兩束線偏振光將有一個固定的相位差。縱向電光幅度調(diào)制19相位差其 中 no KDP晶體中尋常光 (o光) 的折射率Ez 外加在 z 軸上的電場強度得到U 是加在 z 軸方向的電壓20在晶體的入射表面上，入射光場平行于 x，與電致雙折射軸 x 和 y 均成 45角，所以在這兩個方向上存在相等的同相位分量，可表示為入射光強度21從出射表面得到的 x 和 y 分量則為在 y 方向的總光場為對應(yīng)的出射光強度為22電光晶體的透過率由前面 (3) 式已經(jīng)知道即對于某一波長的激光，其透過率T與外加電壓成正弦平方關(guān)系。通常把相位差

8、與外加電壓的關(guān)系表示為其中 為產(chǎn)生數(shù)值為 的相位差所需要加的外電壓。23在 的條件下，把(10)式代入(9)式，可得：可見，輸出光強度調(diào)制是電壓 的線性復制。取對應(yīng)有241221334455U25鈦擴散鈮酸鋰電光效應(yīng)調(diào)制器： 工作頻率16GHz；最大調(diào)制電壓 20V26例1：計算KDP晶體縱向電光效應(yīng)的半波電壓。使用He-Ne激光，=0.6328m、no=1.51、ne=1.47、 = 10.610-12 m/v。解：例2：計算LN晶體橫向電光效應(yīng)的半波電壓，使用He-Ne激光，=0.6328m、no=2.29、ne=2.16、 = 3.410-12 m/v，晶體的長度與寬度之比為5。解：27

9、超聲波在介質(zhì)中傳播時，將引起介質(zhì)密度疏密交替地變化，其折射率也將發(fā)生相應(yīng)的變化。因此，對于入射光波而言，存在超聲波場的介質(zhì)可視為一個光柵，光柵常數(shù)等于聲波波長。聲光調(diào)制器利用衍射光的性質(zhì)來實現(xiàn)光的調(diào)制和偏轉(zhuǎn)。入射光被超聲光柵衍射，衍射光的強度、頻率和方向都隨超聲場而變化。（一）聲光效應(yīng)三、聲光調(diào)制28聲波在介質(zhì)中傳播分為行波和駐波兩種形式。行波形成的超聲光柵在空間是移動的，介質(zhì)折射率的瞬時空間變化可表示為其中，為聲波的角頻率；為聲波的波數(shù)。駐波形成的超聲光柵是固定在空間的，可以認為是兩個相向行波疊加的結(jié)果，介質(zhì)折射率隨時間的變化可表示為29（二）布拉格衍射當聲波頻率較高，聲光作用長度 L 較大

10、時，如果光線與聲波面之間的角度滿足一定條件，將產(chǎn)生布拉格衍射。1、布拉格衍射條件光子（聲子）的能量為光子（聲子）的動量為聲光相互作用滿足能量及動量守恒設(shè) 、 和 分別是入射光、衍射光和聲波的角頻率， 、 和 分別是它們的波矢量。30布拉格衍射動量三角形由動量三角形可推出布拉格衍射條件為312、布拉格衍射效率布拉格衍射的零級和一級光強度分別為（Us 是光波通過超聲場引起的相移）一級光衍射效率為其中，M2是一個由聲光晶體本身性質(zhì)決定的量，稱為聲光優(yōu)值。Is是超聲強度。32（三）聲光調(diào)制器1、組成聲光晶體、壓電換能器、吸聲（反射）裝置、驅(qū)動源等2、工作原理驅(qū)動源產(chǎn)生高頻電功率信號；壓電換能器（壓電晶

11、體）將電功率信號轉(zhuǎn)換成超聲波；超聲波耦合到聲光介質(zhì)中；介質(zhì)在超聲波作用下，折射率發(fā)生變化，形成光柵，對入射光波進行調(diào)制。333、效率（1）電能轉(zhuǎn)換效率 換能器上電功率與驅(qū)動源輸出電功率之比要獲得最大的電能轉(zhuǎn)換效率，應(yīng)該使換能器和驅(qū)動源的阻抗相匹配。（2）電聲轉(zhuǎn)換效率 聲光介質(zhì)中的超聲功率與加到換能器兩端的功率之比電聲轉(zhuǎn)換效率取決于壓電晶體的機械耦合效率以及壓電晶體與聲光晶體之間的聲阻抗匹配。（3）超聲利用率 參與聲光相互作用的超聲能量占介質(zhì)中總超聲波能量的比值為了提高晶體內(nèi)部的超聲利用率，就要考慮聲束和光束匹配問題。光束與聲束的發(fā)散角之比為 1.5 時，利用率最高。The end341、旋光效

12、應(yīng)線偏振光通過旋光介質(zhì)時，振動平面會相對原方向轉(zhuǎn)過一個角度。l 為光在介質(zhì)中通過的距離。（一）磁光效應(yīng)為旋光率，它與光波長、介質(zhì)的性質(zhì)及溫度有關(guān)。 旋轉(zhuǎn)角度 旋轉(zhuǎn)方向?qū)χ饩€觀察時，使光振動矢量順時針旋轉(zhuǎn)的介質(zhì)叫右旋光介質(zhì)；使光振動矢量逆時針旋轉(zhuǎn)的介質(zhì)叫左旋光介質(zhì)。四、磁光調(diào)制352、磁致旋光效應(yīng)（法拉第效應(yīng)）M.Faraday(1791-1876)1846年，法拉第（M. Faraday）在探索電磁現(xiàn)象和光學現(xiàn)象之間的聯(lián)系時，發(fā)現(xiàn)了一種現(xiàn)象：當一束平面偏振光穿過介質(zhì)時，如果在介質(zhì)中，沿光的傳播方向上加上一個磁場，就會觀察到光經(jīng)過樣品后偏振面轉(zhuǎn)過一個角度，即磁場使介質(zhì)具有了旋光性，這種現(xiàn)象后來

13、就稱為法拉第效應(yīng)。法拉第效應(yīng)第一次顯示了光和電磁現(xiàn)象之間的聯(lián)系，促進了對光本性的研究。之后費爾德（Verdet）對許多介質(zhì)的磁致旋光進行了研究，發(fā)現(xiàn)了法拉第效應(yīng)在固體、液體和氣體中都存在。 36l 為光在介質(zhì)中通過的距離；B 為磁感應(yīng)強度；V 是費爾德常數(shù)，與物質(zhì)性質(zhì)有關(guān)。 旋轉(zhuǎn)角度 旋轉(zhuǎn)方向法拉第效應(yīng)的旋光方向決定于外加磁場方向，與光的傳播方向無關(guān)（即法拉第效應(yīng)具有不可逆性）。37（二）磁光調(diào)制根據(jù)馬呂斯定律，如果不計光損耗，則通過起偏器，經(jīng)檢偏器輸出的光強為：為起偏器與檢偏器透光軸之間夾角或 時的輸出光強。 38在兩個偏振器之間加一個由勵磁線圈（調(diào)制線圈）、磁光調(diào)制晶體和低頻信號源組成的低頻調(diào)制器。調(diào)制勵磁線圈所產(chǎn)生的正弦交變磁場為磁光調(diào)制晶體產(chǎn)生交變的振動面旋轉(zhuǎn)角稱為調(diào)制角幅度。39由此式可知，當 一定時，輸出光強僅隨 變化。因為 是受交變磁場 B 或信號電流 控制的，所以信號電流使光振動面旋轉(zhuǎn)，將電信號轉(zhuǎn)化為光的強度調(diào)制，這就是磁光調(diào)制的基本原理。輸出光強變?yōu)?0（三）磁光隔離器固有旋光效應(yīng)的旋光方向與光的傳播方向有關(guān)，即隨著順光線和逆光線的方向觀察，線偏振光的偏振面的旋轉(zhuǎn)方向是相