第六讲 激光技术一: 激光调制

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kdp14纵向电光幅度调制20相位差轴上的电场强度得到轴方向的电压21在晶体的入射表面上入射光场平行于x与电致双折射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kdp1422从出射表面得到的kdp1423电光晶体的透过率由前面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
第六讲 激光技术一:激光调制
(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
E t E 0 co 0 k fs ft ] t { 0 } [
设 f (t)为单频信号,即
ftaco sts
则调频光信号可写为
E t E 0 co 0 t 0 s M f[ ss i t ]n
19
相位差 其中
2 n y ' n x 'l n x ' n o 1 2 n o 36E 3 z
( 1 )
( 2 a )
n y ' n o 1 2 n o 36E 3 z
(2 b )
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 2n o 36 l3 z E 2n o 36 U 3 ( 3 )
3
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。
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。
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
E x'0E 0
E y'0E 0
(4)
入射光强度 I i E x E x * E x '0 2 E y '0 2 2 E 0 2 ( 5 )
23
取 对应有
U U 0 U m sim n t
2 m sim tn
(1)0
在 m 1的条件下,把(10)式代入(9)式,可得:
T Байду номын сангаас 2 1 m sim tn 1 2 1 U U m sim tn
( 1 )1
可见,输出光强度调制是电压 Umsinmt的线性复制。
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。
33
3、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。
其中 Mf 为调频系数,Mf
为最大频率偏移量。
kf a s s
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
B 2 M f 1
24
1
2
4
3
5
2 1 35
4
U
25
钛扩散铌酸锂电光效应调制器:
工作频率16GHz;最大调制电压 20V
26
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:U 2 n o 3 2 1 0 .5 .6 1 3 3 2 8 1 0 .1 6 0 1 60 1 2 8 6 7 0 V
三、声光调制
(一)声光效应
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。
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。
声光调制器利用衍射光 的性质来实现光的调制
4
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: 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
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、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。
E t E 0 s0 t i M n 2 A E 0 s 0 i n s t M 2 A E 0 s 0 i n s t 9
E t E 0 s0 t i M n 2 A E 0 s 0 i n s t M 2 A E 0 s 0 i n s t
10
n n 0 sis tn k sz () n 0 sis tn k s( z ) 2 n 0 sis tn sk isz n
29
(二)布拉格衍射
当声波频率较高,声光作用长度 L 较大时,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
设 i 、 d 和 s 分别是入射光、衍射光和声波的角频
y
KDP
l z
快轴 慢轴
输出光束
1/4 波片
检偏器P2
V 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。
34
The end
四、磁光调制
(一)磁光效应
1、旋光效应
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。
Ii
i
vss
I1
d
和偏转。
ss
I0
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
n n 0sistn k s (z)
其中, s 为声波的角频率;
ks
2 s
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
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:U 2 n o 3d L 2 2 0 ..2 6 9 3 3 2 8 3 .1 4 0 1 6 0 1 2 5 1 1 5 5 0 V 27
其中 PkPa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。
E t E 0 si0 tn 0
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。
幅度调制 —— 光信号的幅度按照调制信号发生变化。
单频调幅光波
E t E 0 1 M A cs o tss 0 i tn
其中, s 为调制波角频率; 一般情况下, s 0
MA为调幅系数,其值在0 ~ 1之间。
MAE Em maaxx E Em mii
n n
调幅光信号的频谱可通过傅里叶分析得到
输入光束
x x’ y’
起偏器P1
y
KDP
l z V
快轴
慢轴
输出光束
1/4 波片
检偏器P2
21
从出射表面得到的 x’ 和 y’ 分量则为
E x 'l E 0 E y 'l E 0 e x i p
(6 )
在 y 方向的总光场为 对应的出射光强度为
EyE2 0 ei1
(7)
Io E yE y * 2 E 0 2sin 2 2 (8 )
直接调制
电信号
输出 激光器 调制光
外调制
电信号
激光器
连续 光信号 幅度或相位
调制器
输出 调制光
7
(一)等幅光信号的频谱
定域单色光频信号可表示为
E t E 0 si0 tn 0
由多个正弦信号组成的光信号可表示为
E t E 0 ns i0 n n t 0 n
n
8
(二)光信号的幅度调制(AM)
输入光束
x x’ y’
起偏器P1
y
KDP
l z V
快轴
慢轴
输出光束
1/4 波片
检偏器P2
22
电光晶体的透过率
T Io s2 i n
Ii
2
由前面 (3) 式已经知道
2no36U 3
(9 )
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。
通常把相位差与外加电压的关系表示为
U
U
其中 U 为产生数值为 的相位差所需要加的外电压。
率,k
i
、k
d

k
分别是它们的波矢量。
s
光子(声子)的能量为
光子(声子)的动量为 k
声光相互作用满足能量及动量守恒
d i s
kdkiks
30
由动量三角形可推出布拉格衍射条件为
s
ini 2kksi
2s
d i
布拉格衍射动量三角形
kd
ks ki
31
2、布拉格衍射效率 Ii
布拉格衍射的零级和
i
vs
I1
(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。
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)
nn n 0a E b E 2
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。
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纵向电光幅度调制
输入光束
x x’ y’
起偏器P1
一、光波的调制 二、电光调制 三、声光调制 四、磁光调制
1
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。
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,
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。
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(四)光信号的相位调制(PM)
相位调制 —— 光信号的相位按照调制信号发生变化。 相位调制的光信号可写为
E t E 0 c0 t o 0 s k P f t [ ]
设 f (t)为单频信号,即
ftaco sts
则调频光信号可写为
E t E 0 c0 o t 0 s P s [s t i ]n
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, 超短脉冲Laser ; 1968年, 金属蒸气Laser ;
d
一级光强度分别为
I0
Ii
co2s(Us) 2
I1Ii
sin2(Us) 2
s
I0
(Us 是光波通过超声场引起的相移)
一级光衍射效率为 1II1 i si2 n2 L M 2Is
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
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