第三章 激光基本技術(shù)

福州大學物理與信息工程學院張永愛

E-mail：yongaizhang@光電子技術(shù)第四章激光基本技術(shù)光調(diào)制技術(shù)光偏轉(zhuǎn)技術(shù)選模技術(shù)穩(wěn)頻技術(shù)鎖模技術(shù)4.1自然雙折射e光o光晶體雙折射現(xiàn)象光線進入光學各向異性媒質(zhì)(如方解石)后產(chǎn)生兩條傳播方向不同的折射光線的現(xiàn)象，稱為雙折射現(xiàn)象。e光（非尋常光）：不遵從折射定律另一條光線不遵守通常的折射定律，它不一定在入射面內(nèi)，這條光線稱為非常光線(extraordinaryrays)，簡稱e光。o光（尋常光）：遵從折射定律一條遵守通常的折射定律(n1sini=n2sinr)，折射光線在入射面內(nèi)，這條光線稱為尋常光線(ordinaryrays)，簡稱o光。

由于o光和e光的折射率不同，故產(chǎn)生雙折射。產(chǎn)生雙折射的原因o光在晶體中各個方向的傳播速度相同，因而折射率no=c/

o=恒量。e光在晶體中的傳播速度

e隨方向變化，因而折射率ne=c/

e是變量，隨方向變化。產(chǎn)生雙折射的原因:o光和e光的傳播速度不同。?光軸實驗發(fā)現(xiàn)，在晶體內(nèi)部存在著某些特殊的方向，光沿著這些特殊方向傳播時，不發(fā)生雙折射現(xiàn)象，這個特殊方向稱為光軸。應(yīng)該注意，光軸僅標志一定的方向，并不限于某一特殊的直線102o方解石只有一個光軸的晶體，稱為單軸晶體，如方解石、石英、紅寶石等。有兩個光軸的晶體稱為雙軸晶體，如云母、硫磺、藍寶石等。氯化鈉屬于立方晶系的晶體，各向同性，不產(chǎn)生折射。沿光軸方向入射的光束，通過晶體不分為兩束光，仍沿入射方向行進。它是一個特征方向。在光軸方向上，o光和e光的傳播速度相同。若沿光軸方向入射，o光和e光具有相同的折射率和相同的波速，因而無雙折射現(xiàn)象。o光振動方向垂直于該光線（在晶體中）與光軸組成的平面。e

光振動方向平行于該光線（在晶體中）與光軸組成的平面。若光軸在入射面內(nèi)，實驗發(fā)現(xiàn)：o光、e光均在入射面內(nèi)傳播，且振動方向相互垂直。相位差λo、λe、λ分別式o光波長、e光波長、光在真空中傳播的波長e光o光4.2電光效應(yīng)

晶體在外加電場作用下引起晶體光學性質(zhì)發(fā)生變化的效應(yīng)各向同性物質(zhì)外界作用各向異性物質(zhì)各向異性物質(zhì)外界作用物質(zhì)的各向異性變化感應(yīng)雙折射定義：晶體在外加電場作用下，光經(jīng)該晶體時，在晶體中會產(chǎn)生兩個正交的線偏振光，它們因傳播速度不同而導致折射率不同，從而出現(xiàn)折射率的差，把產(chǎn)生折射率差的折射現(xiàn)象稱為感應(yīng)雙折射。雙折射是在外加電場的作用下引起的，由晶體本身結(jié)構(gòu)決定的未加電場KDP晶體（負單軸晶體）加電場單軸晶體變成雙軸晶體晶體的主折射率正晶體負晶體光矢量振動方向與晶體光軸的夾角不同,光的傳播速度也不同?；莞寡芯侩p折射現(xiàn)象提出:在各向異性的晶體中，子波源會同時發(fā)出o光、e光兩種子波。o光的子波，各方向傳播的速度相同為v0，點波源波面為球面,振動方向始終垂直其主平面。(如圖)o光只有一個光速vo

一個折射率no························vo

t光軸e光的子波,各方向傳播的速度不同。

e光在平行光軸方向上的速度與o光的速度相同為v0點波源波面為旋轉(zhuǎn)橢球面,振動方向始終在其主平面內(nèi).（如圖）光軸ve

tvo

t

e光在垂直光軸方向上的速度與o光的速度相差最大，記為ve，其相應(yīng)的折射率為ne.n0，ne稱為晶體的主折射率

正晶體:

ne>no(

e<o)負晶體:

ne<no(

e>o)vo

tve

t光軸

負晶體(vo<ve)

子波源子波源vo

tve

t光軸

正晶體

(vo>ve)

如石英、冰等。如方解石、紅寶石等。電光延遲：正交偏振光在x、y軸的相位差------相位延遲（全波片）

入射（線偏振光）出射（線偏振光）

（半波片）

入射（線偏振光）出射（線偏振光）若入射光以45度入射，線偏振光旋轉(zhuǎn)90度）（四分之一波片）

入射（線偏振光）出射（一般橢圓偏振光）若入射光以45度入射，則出射光為圓偏振光）4.3光調(diào)制及光調(diào)制器一）光調(diào)制的基本概念定義：把欲傳輸?shù)男畔⒓虞d到激光輻射上的過程激光調(diào)制與無線電波調(diào)制異同點？概念相同：相位調(diào)制、頻率調(diào)制、振幅調(diào)制、脈沖調(diào)制結(jié)構(gòu)不同：激光調(diào)制屬于高頻調(diào)制無線電波調(diào)制屬于低頻調(diào)制共同點：利用非線性效應(yīng)調(diào)制，即無線電波調(diào)制是利用放大器的非線性效應(yīng)進行調(diào)制，而激光的非線性效應(yīng)的調(diào)制方式很多，有電光效應(yīng)、聲光效應(yīng)、磁光效應(yīng)等

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。這種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(Modulator）。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。

激光是一種頻率更高的電磁波，它具有很好相干性，因而象以往電磁波（收音機、電視等）一樣可以用來作為傳遞信息的載波，激光傳遞信息容量大。根據(jù)調(diào)制器和激光器的相對關(guān)系，可以分為內(nèi)調(diào)制和外調(diào)制。激光光波的電場強度是：內(nèi)調(diào)制：是指加載調(diào)制信號是在激光振蕩過程中進行的，即以調(diào)制信號去改變激光器的振蕩參數(shù)，從而改變激光輸出特性以實現(xiàn)調(diào)制。

外調(diào)制：是指激光形成之后，在激光器外的光路上放置調(diào)制器，用調(diào)制信號改變調(diào)制器的物理特性，當激光通過調(diào)制器時，就會使光波的某參量受到調(diào)制。外調(diào)制方便，且比內(nèi)調(diào)的調(diào)制速率高（約一個數(shù)量級），調(diào)制帶寬要寬得多，故倍受重視。模擬式調(diào)制：激光調(diào)制按其調(diào)制的性質(zhì)可以分為調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相及強度調(diào)制等。振幅調(diào)制

振幅調(diào)制是載波的振幅隨調(diào)制信號的規(guī)律而變化的振蕩，簡稱調(diào)幅設(shè)激光載波的電場強度如：如果調(diào)制信號是一個時間的余弦函數(shù)，即：

Am

和ωm

分別是調(diào)制信號的振幅和角頻率。調(diào)幅波的表達式為利用三角公式：調(diào)幅波的頻譜是由三個頻率成分組成的。第一項是載頻分量；第二、三項是因調(diào)制而產(chǎn)生的新分量，稱為邊頻分量。調(diào)幅波頻譜頻率調(diào)制和相位調(diào)制━調(diào)頻和調(diào)相

調(diào)頻或調(diào)相就是光載波的頻率或相位隨著調(diào)制信號的變化規(guī)律而改變的振蕩。因為這兩種調(diào)制波都表現(xiàn)為總相角

(t)的變化，因此統(tǒng)稱為角度調(diào)制。調(diào)頻振蕩表達式調(diào)相振蕩表達式強度調(diào)制

強度調(diào)制使光載波的強度(光強)隨調(diào)制信號規(guī)律變化的激光振蕩。

激光調(diào)制通常多采用強度調(diào)制形式，這是因為接收器(探測器)一般都是直接地響應(yīng)其所接收的光強度變化的緣故。

激光的光強度定義為光波電場的平方，其表達式為(光波電場強度有效值的平方):強度調(diào)制光強表達式

以上幾種調(diào)制形式所得到的調(diào)制波都是一種連續(xù)振蕩的波,稱為模擬式調(diào)制。另外,在目前的光通信中還廣泛采用一種在不連續(xù)狀態(tài)下進行調(diào)制的脈沖調(diào)制和數(shù)字調(diào)制(也稱為脈沖編碼調(diào)制)。它們一般是先進行電調(diào)制（模擬脈沖調(diào)制或數(shù)字脈沖調(diào)制）,再對光載波進行光強度調(diào)制。脈沖調(diào)制

脈沖調(diào)制是用一種間歇的周期性脈沖序列作為載波，這種載波的某一參量按調(diào)制信號規(guī)律變化的調(diào)制方法。先用模擬調(diào)制信號對一電脈沖序列的某參量(幅度、寬度、頻率、位置等)進行電調(diào)制，使之按調(diào)制信號規(guī)律變化，成為已調(diào)脈沖序列，再用已調(diào)電脈沖序列對光載波進行強度調(diào)制，就可以得到相應(yīng)變化的光脈沖序列。周期脈沖序列載波二）電光強度調(diào)制器BACK

電光晶體(KDP)置于兩個成正交的偏振器之間，其中起偏器P1的偏振方向平行于電光晶體的x軸，檢偏器P2的偏振方向平行于y軸，當沿晶體z軸方向加電場后，它們將旋轉(zhuǎn)45o變?yōu)楦袘?yīng)主軸x’,y’。因此，沿z軸入射的光束經(jīng)起偏器變?yōu)槠叫杏趚軸的線偏振光，進入晶體后(z=0)被分解為沿x’和y’方向的兩個分量，兩個振幅(等于入射光振幅的1/）和相位都相等．分別為：或由于光強正比于電場的平方，因此，入射光強度為當光通過長度為L的晶體后，由于電光效應(yīng)，E

x’和E

y’二分量間就產(chǎn)生了一個相位差，則通過檢偏器后的總電場強度相應(yīng)的輸出光強yY’xX’45o45o注意公式：光強透過率

光強透過率T稱為調(diào)制器的透過率。根據(jù)上述關(guān)系可以畫出光強調(diào)制特性曲線。在一般情況下，調(diào)制器的輸出特性與外加電壓的關(guān)系是非線性的。若調(diào)制器工作在非線性部分,則調(diào)制光將發(fā)生畸變。為了獲得線性調(diào)制，可以通過引入一個固定的/2相位延遲，使調(diào)制器的電壓偏置在T＝50％的工作點上。常用的辦法有兩種：2、在調(diào)制器的光路上插入一

/4波片，從而使和兩個分量之間產(chǎn)生

/2的固定相位差。

1、在調(diào)制晶體上除了施加信號電壓之外，再附加一個的固定偏壓，但此法會增加電路的復雜性，而且工作點的穩(wěn)定性也差。BACK設(shè)調(diào)制電壓總相位差調(diào)制器的光強透過率當透過率與調(diào)制信號呈線性關(guān)系，信號不失真其缺點是半波電壓太高，特別在調(diào)制頻率較高時，功率損耗比較大?？v向電光調(diào)制器具有結(jié)構(gòu)簡單、工作穩(wěn)定、不存在自然雙折射的影響等優(yōu)點。由起偏器和電光晶體組成。起偏器的偏振方向平行于晶體的感應(yīng)主軸x’(或y’)，此時入射晶體的線偏振光不再分解成沿x’、y’兩個分量，而是沿著x’(或y’)軸一個方向偏振，故外電場不改變出射光的偏振狀態(tài)，僅改變其相位，相位的變化為入射光偏振器調(diào)制光~VLx

y

z

電光相位調(diào)制原理圖三）電光相位調(diào)制器光波只沿x’方向偏振，相應(yīng)的折射率為若外加電場在晶體入射面(z＝0)處的光場則輸出光場(z＝L處)就變?yōu)槁匀ナ街邢嘟堑某?shù)項，因為它對調(diào)制效果沒有影響，則上式寫成式中相位調(diào)制系數(shù)以下說法正確的是()知識鞏固A、o光遵循折射率定律、e光不遵循折射定律B、o光和e光在晶體中傳播速度都不一樣C、在正晶體中，o光的傳播速度低于e光；負晶體則相反D、o光與e光的振動方向垂直激光調(diào)制和無線電波調(diào)制說法正確的是()知識鞏固A、激光調(diào)制屬于高頻調(diào)制，無線電波調(diào)制屬于低頻調(diào)制B、利用非線性效應(yīng)調(diào)制C、激光調(diào)制能傳遞信息，無線電波調(diào)制不能傳遞信息D、兩者都包含相位調(diào)制、頻率調(diào)制、振幅調(diào)制、和脈沖調(diào)制，但激光調(diào)制保密性好，傳遞信息容量大

聲波在介質(zhì)中傳播時，使介質(zhì)產(chǎn)生彈性形變，引起介質(zhì)的密度呈疏密相間的交替分布，因此，介質(zhì)的折射率也隨著發(fā)生相應(yīng)的周期性變化。這如同一個光學“相位光柵”，光柵常數(shù)等于聲波長

s。當光波通過此介質(zhì)時，會產(chǎn)生光的衍射。衍射光的強度、頻率、方向等都隨著超聲場的變化而變化。4.2聲光調(diào)制及聲光調(diào)制器聲光晶體等價于一個相位光柵?1）聲光效應(yīng)光通過介質(zhì)時，在超聲場作用下引起介質(zhì)光學性質(zhì)發(fā)生變化的效應(yīng)

nxn0

n

svs

超聲行波在介質(zhì)中的傳播密的地方折射率大疏的地方折射率小2）聲光衍射

按照超聲波頻率的高低和聲光相互作用長度的不同，聲光相互作用可以分為喇曼-乃斯衍射和布喇格衍射兩種類型。1、喇曼-乃斯衍射

產(chǎn)生喇曼-乃斯衍射的條件：當超聲波頻率較低，光波平行于聲波面入射，聲光互作用長度L較短時，在光波通過介質(zhì)的時間內(nèi)，折射率的變化可以忽略不計，則聲光介質(zhì)可近似看作為相對靜止的“平面相位柵”。

喇曼-乃斯衍射的特點：由出射波陣面上各子波源發(fā)出的次波將發(fā)生相干作用，形成與入射方向?qū)ΨQ分布的多級衍射光，強度遞減（why？）

喇曼-乃斯聲光衍射z入射光衍射光換能器吸聲裝置產(chǎn)生拉曼-乃斯衍射的條件各級衍射光的衍射角滿足相應(yīng)第m級的衍射的極值光強為衍射效率為：2、布喇格衍射

聲波頻率較高，聲光作用長度L較大，光束與聲波波面間以一定的角度斜入射，介質(zhì)具有“體光柵”的性質(zhì)。

布喇格衍射的特點：衍射光各高級次衍射光將互相抵消，只出現(xiàn)0級和+1級（或

1級）衍射光，如圖所示

入射光電聲換能器布喇格衍射產(chǎn)生布喇格衍射條件

當入射光強為Ii時，布喇格聲光衍射的0級和1級衍射光強的表達式可分別寫成:式中：衍射效率為：M2為聲光材料的品質(zhì)因數(shù)，Ps超聲功率；H為換能器的寬度，L為換能器的長度。同樣的改變超聲功率，也可以達到改變一級衍射光的強度。

不管是喇曼－乃斯衍射還是布喇格衍射，改變超聲波頻率，均可改變衍射光的極值方向和衍射光頻率；改變超聲波的強度，可改變折射率光柵的幅度Δn，從而改變衍射光的極值光強，因此，可以通過改變超聲波場，控制衍射光強頻率方向，從而達到調(diào)制的目的。3）聲光調(diào)制器原理結(jié)構(gòu)圖3聲光介質(zhì)1驅(qū)動電源2電聲換能器4吸收器入射光

利用某些材料的聲光效應(yīng)進行調(diào)制，它可對光的強度、相位、傳播方向和頻率進行調(diào)制（3）聲光介質(zhì)：聲光介質(zhì)是聲光互作用的場所。當一束光通過變化的超聲場時，由于光和超聲場的互作用，其出射光就具有隨時間而變化的各級衍射光，利用衍射光的強度隨超聲波強度的變化而變化的性質(zhì)，就可以制成光強度調(diào)制器。（2）電聲換能器：它是利用某些晶體的反壓電效應(yīng)，在外加電場作用下產(chǎn)生機械振動而形成超聲波，它起著將調(diào)制電信號轉(zhuǎn)換成聲信號的作用。（1）驅(qū)動電源：它用以產(chǎn)生調(diào)制電信號施加于電聲換能器的兩端電極上，驅(qū)動聲光調(diào)制器(換能器)工作。（4）吸聲器：用以吸收通過介質(zhì)的聲波，保證器件工作狀態(tài)正常。工作原理

驅(qū)動電源產(chǎn)生高頻功率信號，由電極加到電聲換能器兩端，電聲變能器將電功率信號轉(zhuǎn)換成超聲波，通過耦合層耦合到聲光介質(zhì)中，介質(zhì)在超聲波的作用下，折射率發(fā)生變化，形成相位光柵，從而對入射光進行調(diào)制。3聲光介質(zhì)1驅(qū)動電源2電聲換能器4吸收器入射光喇曼-乃斯型聲光調(diào)制器

調(diào)制器的工作原理如圖所示，工作聲源頻率低于10MHz。只限于低頻工作，帶寬較小。入射光

衍射光

調(diào)制信號喇曼-乃斯型聲光調(diào)制器

對于喇曼—乃斯型衍射，工作聲頻率低于10MHz，其各級衍射光強比例于。若取某一級衍射光作為輸出，可利用光欄將其他級的衍射光遮擋，則從光欄孔出射的光束就是一個隨ν變化的調(diào)制光。由于喇曼—乃斯型衍射效率低，光能利用率也低；

當工作頻率較高時，最大允許長度太小，要求的聲功率很高，因此喇曼—乃斯型聲光調(diào)制器只限于低頻工作，只具有有限的帶寬。衍射光調(diào)制信號入射光

聲光調(diào)制器布喇格型布喇格型聲光調(diào)制器布喇格型聲光調(diào)制器工作原理如圖所示。由聲光效應(yīng)分析，布喇格衍射的一級光強當調(diào)制信號較小時，即V趨近于0時若Ps按調(diào)制信號規(guī)律變化，Ii光強也將隨調(diào)制信號的規(guī)律變化

無論是喇曼－乃斯聲光調(diào)制器，還是布喇格聲光調(diào)制器，它們均采用兩種工作方式，一種是將零級光作為輸出，另一種是將一級衍射光作為輸出，調(diào)制信號的變化，改變了聲光介質(zhì)中的超聲波場，使其折射率分布發(fā)生變化，從而使衍射光的方向、光強和頻率發(fā)生變化，從而達到調(diào)制的目的。光調(diào)制技術(shù)光偏轉(zhuǎn)技術(shù)選模技術(shù)穩(wěn)頻技術(shù)倍頻技術(shù)4.3激光偏轉(zhuǎn)技術(shù)激光偏轉(zhuǎn)技術(shù)分類模擬式偏轉(zhuǎn)數(shù)字式偏轉(zhuǎn)光的偏轉(zhuǎn)角是連續(xù)變化的選定空間中的某些特定位置，使光束不連續(xù)的偏轉(zhuǎn)常用各種顯示主要用于光儲存設(shè)計或評價一個光偏轉(zhuǎn)器的主要指標偏轉(zhuǎn)角θ掃描速度偏轉(zhuǎn)效率偏轉(zhuǎn)分辨率偏轉(zhuǎn)效率偏轉(zhuǎn)光強和入射光強之比反映光偏振器的光能損失偏轉(zhuǎn)分辨率光束偏轉(zhuǎn)的最大可分辨的點數(shù)光束的發(fā)射角常用的偏轉(zhuǎn)方法機械偏轉(zhuǎn)法

電光偏轉(zhuǎn)法聲光偏轉(zhuǎn)法一）機械偏轉(zhuǎn)法利用反射鏡或棱鏡等光學元件的旋轉(zhuǎn)或振動實現(xiàn)光束偏轉(zhuǎn)機械掃描技術(shù)是目前最成熟的一種掃描方法。如果只需要改變光束的方向，即可采用機械掃描方法。機械掃描技術(shù)是利用反射鏡或棱鏡等光學元件的旋轉(zhuǎn)或振動實現(xiàn)光束掃描。優(yōu)點：掃描角度大；可分辨像素多；光學損失少；缺點：掃描速度低圖所示為一簡單的機械掃描原理裝置，激光束入射到一可轉(zhuǎn)動的平面反射鏡上，當平面鏡轉(zhuǎn)動時，平面鏡反射的激光束的方向就會發(fā)生改變，達到光束掃描的目的。二）電光偏轉(zhuǎn)法掃描偏轉(zhuǎn)數(shù)字偏轉(zhuǎn)LdBAyxBA

光束的偏轉(zhuǎn)方向

電光掃描原理圖

電光偏轉(zhuǎn)是利用電光效應(yīng)來改變光束在空間的傳播方向，其原理如圖所示。

光束沿y方向入射到長度為L，厚度為d的電光晶體，如果晶體的折射率是坐標x的線性函數(shù)，即

用折射率的線性變化代替，偏轉(zhuǎn)角

可根據(jù)折射定律求得（）。

式中的負號是由坐標系引進的，即

由y轉(zhuǎn)向x為負。

圖所示的是根據(jù)這種原理作成的雙KDP楔形棱鏡掃描器。它由兩塊KDP直角棱鏡組成，棱鏡的三個邊分別沿x

、y

和z軸方向，但兩塊晶體的z軸反向平行。光線沿方向傳播y

且沿方x

向偏振。外電場沿Z方向（橫向效應(yīng)）。

上部的A線完全在上棱鏡中傳播，“經(jīng)歷”的折射率為。而在下棱鏡中，B線“經(jīng)歷”的折射率為。于是上、下折射率為即例題：取L=d=h=1cm，r63=10.5

10-12m／V，no=1.51，V=1000V。

為了使偏轉(zhuǎn)角加大，而電壓又不致太高，因此常將若干個KDP棱鏡在光路上串聯(lián)起來，構(gòu)成長為mL、寬為d、高為h的偏轉(zhuǎn)器，如圖所示。則得

=35

10-7rad?？梢婋姽馄D(zhuǎn)角是很小的，很難達到實用的要求。

hn+

nn-

nn+

nn-

n

x

y

圖4多級棱鏡掃描器兩端的兩塊有一個角為

/2，中間的幾塊頂角為

的等腰三角棱鏡，它們的z軸垂直于圖面，棱鏡的寬度與z軸平行，前后相鄰的二棱鏡的光軸反向，電場沿z軸方向。

各棱鏡的折射率交替為和其中。故光束通過掃描器后，總的偏轉(zhuǎn)角為每級（一對棱鏡）偏轉(zhuǎn)角的m倍，

一般m為5～12，m不能無限增加的主要原因是激光束有一定的尺寸，而h的大小有限，光束不能偏出h之外。b）數(shù)字式偏轉(zhuǎn)

圖是一種由電光晶體和雙折射晶體組合而成的數(shù)字式偏轉(zhuǎn)器，其中雙折射晶體可以將線偏光入射分解成兩束平行出射振動方向正交的分離光束，其分離度為d。

當電光晶體未加電壓時，線偏振光（如o光）通過它的時候，偏振狀態(tài)保持不變，仍以o光狀態(tài)射出晶體，其后通過雙折射晶體方向保持不變；

當電光晶體加上半波電壓，線偏振光通過它的時候，偏轉(zhuǎn)面旋轉(zhuǎn)90度變成e光，由于雙折射晶體的雙折射特性，e光線在晶體內(nèi)將以與表面法線成α角的方向傳播，到達晶體輸出面，偏移間距d，然后以平行原光路的方向出射。縱向電光調(diào)制器及其工作原理

上述電光晶體和雙折射晶體就構(gòu)成了一個一級數(shù)字掃描器，入射的線偏振光隨電光晶體上加和不加半波電壓而分別占據(jù)兩個“地址”之一，分別代表“0”和“l(fā)”狀態(tài)。

若把n個這樣的數(shù)字偏轉(zhuǎn)器組合起來，就能做到n級數(shù)字式掃描。圖6所示為一個三級數(shù)字式掃描器，使入射光分離為23個掃描點的情況。

要使可掃描的位置分布在二維方向上，只要用兩個彼此垂直的n級掃描器組合起來就可以實現(xiàn)。這樣就可以得到2n

2n個二維可控掃描位置。三）聲光偏轉(zhuǎn)法布喇格角一般很小

改變超聲波的頻率fs，就可以改變其偏轉(zhuǎn)角

，從而達到控制光束傳播方向的目的。

知識鞏固以下關(guān)于聲光調(diào)制器與聲光偏轉(zhuǎn)器說法正確的是()。A、結(jié)構(gòu)相同、工作原理不同B、結(jié)構(gòu)不同、工作原理相同C、聲光偏轉(zhuǎn)器利用改變超聲頻率的方法來工作，而聲光調(diào)制利用改變衍射光的強度來工作；D、聲光偏轉(zhuǎn)器改變衍射光的強度來工作，而聲光調(diào)制利用改變超聲頻率的方法來工作；4.4調(diào)Q技術(shù)壓縮脈沖寬度，提高峰值功率

調(diào)Q技術(shù)的基本思想

當激光上能級積累的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)不多時，人為地控制閾值使其很高，由于閾值很高，激光輸出變得困難，從而抑制激光振蕩產(chǎn)生，但是，光泵不斷地激勵，從而使激光上能級將不斷積累粒子數(shù)，當反轉(zhuǎn)粒子數(shù)達到最大值時，突然降低激光器的閾值，由于此時的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)大大超過激光器的閾值反轉(zhuǎn)粒子數(shù)，因此，在腔內(nèi)以極快的速度建立極強的激光振蕩，在很短的時間內(nèi)大量抽空激光上能級粒子數(shù)，同時輸出一個極強的尖銳脈沖——

調(diào)Q技術(shù)。一）調(diào)Q脈沖技術(shù)調(diào)Q技術(shù)的實質(zhì)人為地控制激光器的閾值激光器的閾值反轉(zhuǎn)粒子數(shù)控制閾值反轉(zhuǎn)粒子數(shù)控制激光器的Q值調(diào)Q2.調(diào)Q方法激光器Q值調(diào)節(jié)Q值可通過調(diào)節(jié)腔內(nèi)的損耗實現(xiàn)二）電光調(diào)Q—利用晶體的電光效應(yīng)來實現(xiàn)調(diào)Q依據(jù)：放在諧振腔內(nèi)的電光晶體在外加電場的作用下，使入射偏振光的振動方向發(fā)生變化，人為的在腔內(nèi)引入可控的等效反射損耗。透反鏡全反鏡電光晶體偏振器YAGXe燈電光調(diào)Q激光器原理圖YAG晶體Xe燈自然光起偏器線偏振光（X軸方向）電光晶體線偏振光（振動方向不變）電光晶體全反鏡線偏振光（振動方向不變）起偏器線偏振光（振動方向不變）Q開關(guān)打開狀態(tài)電光晶體全反鏡電光晶體線偏振光（振動方向與原來方向垂直）線偏振光不能通過偏振器Q開關(guān)關(guān)閉狀態(tài)Xe燈打開高Q狀態(tài)激光巨脈沖YAG晶體在Xe燈的激勵下產(chǎn)生無規(guī)則偏振自然光，該自然光通過偏振器后，變成線偏振光（如X方向線偏振光），若調(diào)Q晶體未加電壓，該光沿軸線方向（光軸）通過晶體，其偏振狀態(tài)不發(fā)生變化，經(jīng)全反射鏡反射后，將再次無變化地通過調(diào)Q晶體和偏振器，電光Q開關(guān)處于“打開”狀態(tài)。電光調(diào)Q激光器的工作原理

假設(shè)調(diào)Q晶體施加電壓時，自然光經(jīng)偏振器變成線偏振光，線偏振光經(jīng)電光晶體、全反鏡、電光晶體后，因電光效應(yīng)，會在相應(yīng)的感應(yīng)主軸x’、y’方向上產(chǎn)生新的相位差，從晶體再次出射時，總的相位差就為，合振動會變成線偏振光，但它的振動方向會與原起偏方向垂直，此偏振光不能通過偏振器，電光Q處于“關(guān)閉”狀態(tài)。

因此，在Xe燈剛開始點燃時，在調(diào)Q晶體上施加電壓，使諧振腔處于“關(guān)閉”狀態(tài)的低Q狀態(tài)，將阻斷激光振動形成；在Xe燈的不斷激勵下，YAG上能級反轉(zhuǎn)粒子數(shù)不斷積累，當達到最大時，將調(diào)Q晶體的外加電壓瞬間撤去，此時，諧振腔處于“打開”的高Q狀態(tài)，閾值反轉(zhuǎn)粒子數(shù)很小，，即可雪崩式地產(chǎn)生激光巨脈沖。

調(diào)Q激光脈沖的建立過程，各參量隨時間的變化情況，如圖所示。圖(a)表示泵浦速率Wp隨時間的變化；圖(b)表示腔的Q值是時間的階躍函數(shù)(藍虛線)；圖(c)表示粒子反轉(zhuǎn)數(shù)△n的變化；圖(d)表示腔內(nèi)光子數(shù)Φ隨時間的變化。Q開關(guān)激光脈沖建立過程△ni△ntQ電光調(diào)Q激光器的關(guān)鍵技術(shù)：精確地保證調(diào)Q晶體上加入電壓時，Q開關(guān)處于“關(guān)閉”狀態(tài)；精確地控制退掉調(diào)Q晶體上所加電壓的時間。

可以分儲能和振蕩兩個階段討論它的調(diào)Q原理。

單塊雙電光Q開關(guān)帶偏振器的Q開關(guān)激光器需加偏振器，使腔內(nèi)元件增多，因而增加了腔內(nèi)損耗，降低了調(diào)Q效率。把晶體做成雙的形式，使晶體起著偏振、Q開關(guān)兩個作用，克服了上述Q開關(guān)激光器的缺點。

雙Q開關(guān)的特點優(yōu)點：（1）雙電光Q開關(guān)可以省去偏振器，適用于產(chǎn)生自然光的YAG、釹玻璃等。一塊晶體相當于三個元件。（2）輸出的光是自然光，因此比輸出線偏光的激光器效率高一倍。缺點：（1）晶體的結(jié)構(gòu)復雜，加工困難。保證雙以及晶體的方位也不容易。（2）由于加電壓，因此實用起來有一定的困難。單Q開關(guān)可以克服上述缺點。單塊單電光開關(guān)分兩個階段討論其工作原理：粒子數(shù)積累階段和脈沖形成階段。結(jié)論：單Q開關(guān)相當于帶一個偏振器的Q開關(guān)。單Q開關(guān)的特點優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，加工容易，插入損耗??；加電壓比雙Q開關(guān)低一倍；適合各種工作物質(zhì)。缺點：輸出的是線偏光，比雙輸出功率低；存在口徑效應(yīng)。三）聲光調(diào)Q--利用聲光效應(yīng)產(chǎn)生Q突變的技術(shù)

當聲光介質(zhì)中通過超聲波時，由于超聲光柵的作用，使光束衍射偏開腔外，激光器損耗大，Q值極低，不能形成激光振蕩；在此情況下，工作物質(zhì)在光泵浦激勵下，激光上能級的粒子數(shù)不斷積累，并實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，當反轉(zhuǎn)粒子數(shù)達到最大時，突然撤去超聲場，衍射效應(yīng)突然消失，光路暢通，Q值猛增，迅速形成激光振蕩，并由輸出鏡輸出。聲光調(diào)Q激光器工作原理聲光調(diào)Q和聲光調(diào)制器的區(qū)別？相同點：

聲光調(diào)Q和聲光調(diào)制器都是利用晶體的聲光效應(yīng)原理，以聲光相互作用原理為基礎(chǔ)。聲光介質(zhì)在超聲波的作用下，折射率發(fā)生周期性的變化，使介質(zhì)變成正弦相位光柵，當光通過這樣的介質(zhì)時，發(fā)生衍射。

（2）聲光調(diào)制器是利用連續(xù)變化調(diào)制信號控制加在換能器上的超聲功率，使超聲波受到振幅調(diào)制，使相位延遲周期性改變，使輸出光強發(fā)生相應(yīng)的周期性改變；聲光Q開關(guān)在換能器上加一階躍式的調(diào)制信號實現(xiàn)調(diào)Q。（1）聲光調(diào)制器采用兩種衍射方式，喇曼奈斯衍射和布拉格衍射；聲光調(diào)Q考慮效率問題，只采用布拉格衍射。喇曼奈斯衍射產(chǎn)生多級衍射光，各級光的衍射效率比較低，不易實現(xiàn)調(diào)Q。（目前也有這種衍射的Q開關(guān)）。不同點：思考題7）聲光調(diào)Q和聲光調(diào)制器的區(qū)別；6）利用聲光調(diào)Q激光器原理圖，說明其工作原理；5）調(diào)Q技術(shù)的基本思想，電光調(diào)Q的基本依據(jù)；利用電光調(diào)Q激光器的原理圖，說明其工作原理；4）數(shù)字式偏轉(zhuǎn)器原理圖；闡述其工作原理；3）聲光調(diào)制器的組成及其功能；闡述其工作原理；1）激光調(diào)制與無線電波調(diào)制異同點；2）喇曼-乃斯衍射、布拉格衍射的特點及產(chǎn)生條件。4.5、鎖模技術(shù)－超短脈沖技術(shù)1、自由運轉(zhuǎn)（非鎖模）多模激光器的輸出特性縱模頻率每個縱模的電場表達式總的輸出自由運轉(zhuǎn)多模激光器的各個振蕩模式的振幅和相位是彼此獨立的、隨機的，則總的是各個模式光場的非相干疊加各縱模Eq,wq,jq不同，輸出為多個縱模無規(guī)疊加的結(jié)果2、鎖模原理多縱模相位鎖定鎖模物理機制：采取措施使腔內(nèi)各個縱模的初始相位保持一致或各縱模間有確定的相位關(guān)系,輸出為等間隔短脈沖序列。舉例:三個縱模鎖定后的光波疊加n1,n2,n3n2=2n1,n3=3n1

E1=E2=E3=E0

,j1=j2=j3=0n11/3n12/3n10I(t)E(t)0極大值極大值極小值極小值討論:假設(shè)2N+1個模振蕩,振幅相同(E0)相鄰縱模間相位差鎖定時3、鎖模脈沖特性(1)鎖模激光器的輸出是間隔為T=2L/c的規(guī)則序列脈沖（2）該序列脈沖中的每個脈沖寬度為，即近似等于振蕩線寬的倒數(shù)。在極限情況下，式中是激光器的凈增益線寬。（3）輸出脈沖的峰值光強為單個模式光強的（2N+1）2倍，它比自由運轉(zhuǎn)多模激光器提高（2N+1）倍一、主動式鎖模1、定義在腔內(nèi)插入一個受外界信號控制的調(diào)制器，周期性改變振蕩模式的某個參量而實現(xiàn)鎖模的方法2、類型(1)振幅(損耗)調(diào)制鎖模：聲光鎖模激光介質(zhì)聲光器件全反鏡輸出鏡激光4、鎖模方法tA(t)

(t)T(t)tttI(t)A(t):驅(qū)動聲光器件的調(diào)制電信號波形

(t):腔損耗波形T(t):調(diào)制器透過率波形I(t):鎖模激光輸出波形聲光器件的調(diào)制信號頻率周期(2)相位(頻率)調(diào)制模鎖:電光鎖模激光介質(zhì)

激光全反鏡輸出鏡起偏鏡檢偏鏡LNxzy

Uz

m:電調(diào)制頻率:光頻率tU(t),n(t),(t)tI(t)t

(t)U(t):驅(qū)動電光器件的調(diào)制電信號波形n(t)、

(t):電光效應(yīng)引起折射率變化和相移的波形I(t):鎖模激光輸出波形(無頻移時有脈沖輸出，有頻移時，經(jīng)累積光頻移出增益曲線而無脈沖輸出)電光器件的調(diào)制信號頻率周期

(t):光的頻移波形二、被動式鎖模(染料鎖模)激光介質(zhì)染料盒全反鏡輸出鏡激光1、線性放大：泵浦剛開始，工作物質(zhì)對產(chǎn)生的諸多光脈沖進行線性放大2、非線性吸收：染料被漂白，強脈沖被迅速放大，弱脈沖被吸收3、非線性放大：工作物質(zhì)對留下的強脈沖進行非線性放大，使脈寬被壓縮tPtPtPtPtP線性放大

非線性吸收

非線性吸收

非線性放大

4.5選模技術(shù)

橫模選擇技術(shù)：針對壓縮振蕩激光束的發(fā)散角縱模選擇技術(shù)：限制振蕩激光頻譜數(shù)目一）橫模選擇技術(shù)1、選橫模的意義和物理基礎(chǔ)須盡量增大高階橫模和基橫模損耗比必須盡量減小激活介質(zhì)的內(nèi)部損耗及鏡面損耗，相應(yīng)增大在總損耗中的重；選橫模兩個基本原則不同的橫模有不同的衍射損耗2.影響衍射損耗的因素①與腔型和g參數(shù)有關(guān)，不同的腔型和g，衍射損耗不同。②同一種腔型，不同橫模，衍射損耗不同。模最小，隨著模序數(shù)增加，越來越大。③同一種腔型，菲涅爾數(shù)不同，衍射損耗不同。在不同N，g下，和模的衍射損耗曲線，這是選模的設(shè)計依據(jù)。3.基模體積模體積表示某一模式在腔內(nèi)所擴展的空間范圍。一個模式體積的大小表示了對該模的振蕩有貢獻的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)的多少，因而輸出功率大小。為了使選出的基模獲得大的輸出功率，必須考慮基模體積和哪些因素有關(guān)?；ｓw積和腔型有關(guān)：①增大腔鏡的曲率半徑，基模體積增大(R增大大)。②當R一定時，L有最佳值，R=L時，模體積最大。在選模中，不但選出單一基模，而且應(yīng)盡可能使選擇的腔型增大模體積－輸出功率增大。

2、橫模選擇方法（1）小孔光欄法小孔光闌工作物質(zhì)小孔選模激光器不同橫模的光束半徑，基橫模有最小的光束半徑，其它高階模的光束半徑依次增大?；疽罁?jù)：小孔光闌工作物質(zhì)聚焦光闌法選橫模光闌（2）聚焦光闌法特點1）保持小孔光闌的選模特性；2）增大選模體積3）光束聚焦，光闌易燒壞

非穩(wěn)腔中任何傍軸光線經(jīng)過有限次往返傳播必將逸出腔外。因為非穩(wěn)腔體積大，衍射損耗小可以忽略，主要表現(xiàn)橫向逸出腔外；各模的光束在腔內(nèi)是不穩(wěn)定的，因此光束偏折損耗比介穩(wěn)腔大。它是高損耗腔，是一種選模方法（3）非穩(wěn)腔選橫模適用于高增益激光器選橫模1、設(shè)計或評價一個光偏轉(zhuǎn)器的主