第三章-光束的控制
第三章--高斯光束及其特性
qM
AqM B 1 CqM D qM
D Ai 2B
1 (D A)2 4 B
§3.2 高斯光束与球面谐振腔的自再现模式
1 D A 1 (D A)2 4
i
qM 2B
B
1 q(z)
1 R(z)
i
2 (z)
R(z) 2B (D A)
(z) (
)1 2
B12
1
D
2
A
2
2
0 (z)
z
R(z
)
1
1
2(z) R(z)
R(z) 2
2
(
z
)
§3.1 基模高斯光束
3）基模高斯光束的特征参数：
➢ 用q参数表征高斯光束
u00
(
x
,
y
,
z
)
c00
0 (z
)
exp[
x2
2(
y2 z)
]exp{
i[k
(
z
x2 y2 ) arctg 2R(z)
1 11
q2 q1 F
q2
Aq1 Cq1
B D
复曲率半径q
§3.1 基模高斯光束
出射光束的束腰位置和尺寸： 入射高斯光束的光腰在l处， 出射高斯光束的光腰在l ’处
q q0
if
02
q
q0
if
02
等和式实两部端对的应虚相部等
f l
(l
F2 f F )2
l(l F ) f (l F )2 f
z f
]}
u00 ( x,
y, z) c00
0 exp{ik (z)
x2
第九十讲-光束的调制
(3.2-4)
------作为线性调制的判据。 此时 J1 m
1 m 代入（3.2-2)式得 2
I0 1 T (1 m sin mt ) Ii 2
（3.2-5）
调制的透过率
当sin(△m sinωmt) 的△m <<1时， 上式也变为：
(3.1-10)
将式 cos(m sin mt )和sin(m sin mt )
中两项按贝塞尔函数展开：
cos(m sin mt ) J 0 (m) 2 J 2n (m) cos(2nmt ) n1 sin(m sin mt ) 2 J 2n 1 (m) sin(2n 1)mt
I (t ) E (t ) A cos (c t c )
2 2 c 2
(3.1-12)
于是，强度调制的光强可表示为
Ac2 I (t ) [1 k p a (t )] cos2 ( c t c ) 2
(3.1-13)
调制信号是单频余弦波，则
Ac2 I (t ) [1 m p cos m t ] cos2 ( c t c ) 2
电光调制特性曲线
利用贝塞尔函数将上式中的
展开得：
1 T J 2 n1 m sin2n 1mt 2 n 0
(3.2-2)
可见，输出的调制光中含有高次谐波分量，使调制 光发生畸变。为获得线性调制，必须将高次谐波控 制在允许的范围内。 设基频波和高次波的幅值分别为I1和I2n+1，则高次谐 波与基频波成分的比值为:
(3.1-14)
强度调制
其频谱分布除了载频及对称分布的两边频之外， 还有低频 m 和直流分量。
光纤通信技术-第三章-光源与光发射系统-电子教案 (3)
10.什么是张弛振荡？简述张弛振荡产生的原因。
11.什么是码型效应？如何消除码型效应。
12.什么是自脉动现象？自脉动现象有哪些特点？
13.光源的间接调制方法有哪些？
14.光纤通信系统对光发射机的基本要求有哪些？
15.光发射机为什么要进行自动温度控制？
16.光纤通信系统对光源器件的基本要求有哪些？
17.简述激光器的结发热效应。
18.何谓激光器的偏置电流？应如何选择偏置电流？
120.构成激光器必须具备的条件有哪些？
21.在光纤通信系统中，光源为什么要加正向电压？
22.简述半导体激光器的特性。
23.简述F-P腔半导体激光器的结构。
24.光发射机主要有哪些部分组成？简述各部分的作用。
4、课后作业：6。
3.4新型半导体激光器
重点介绍分布式反馈激光器的结构特点，引出在此特点基础上的发光原理，并指明它所具有的独特优点；简要介绍耦合腔半导体激光器与量子阱激光器的结构与特点。
3.5光源的调制
重点介绍光源的直接数字调制以及可能产生的效应：电光延迟、张弛振荡、自脉动、码型效应等。简要介绍光源的三种间接调制方式，包括：声光调制、热光调制和磁光调制。
3.6光发射机
首先介绍通信系统对光发射机的基本要求；重点介绍光发射机的组成与功能，包括：输入电路、光源和控制电路。
1：计划学时：2学时
2：讲授要求：
注意区分新型激光器与F-P腔激光器在结构和性能上的不同，使学生能够对前后学习的知识有一个连贯性的认识；详细介绍光发射机的三个组成部分，使学生清楚各部分的主要功能。
课程
光纤通信技术
章节
第三章
学期
2013/2014学年第一学期
第三章-光束的控制
克尔Kerr效应
光轴：光沿这个方向传播时，折射率与偏振无关 晶体的双折射： (平面偏振)光束入射到晶体内， 分解为:(a)寻常光(o光，平行于光轴)； (b)非常光 (e光，垂直于光轴)
正晶体no<ne ，负晶体no>ne no≠ne →vo ≠ ve→产生光程差Δn·l →相移δ →偏振态改变
激光的腔内电光调制
具有一定位相差的互相垂直的两个线偏振光，合成后偏振 态取决于δ。一般为椭圆偏振光。δ=π/2时，变为圆偏振光 。δ=π时，仍是线偏振光，但偏振方向旋转了90°。所加 的电压称为半波电压，用Vπ或Vλ/2 表示 V /2 3 2no 63
激光腔内放置普克耳盒，外加电压使偏振发生偏转，调制 光通过布氏窗反射出去
声波在介质中形成①行波②驻波
声光调制的两种基本途径
喇曼-奈斯衍射 布拉格衍射
喇曼-奈斯衍射
光束平行于声波波面入射，0，1级衍射出 射，由光阑+透镜，再组合成一平面波面 改变声频→改变衍射角→改变1级衍射光 强弱，达到调制的目的
布拉格衍射
声波波长λs，速度vs；光波波长λ，入射角θi 同一面上两条光线衍射普克尔Fra bibliotek光效应
用折射率椭球可以描述各向异性晶体的光的传播特性 x2 y2 z2 2 2 1 2 nx ny nz
单轴晶体中
x2 y 2 z 2 2 2 1 2 no no ne
OP传输光，作一垂直于OP的面，截得一椭圆，其长短轴 大小分别表示两个偏振向的折射率 对晶体加电压后，折射率椭球的形状、大小、方位均发生 变化。
第三章 光束的控制
第三章 光的干涉和干涉系统
5
I1 I 2 A1 A2 cos
干涉条件（必要条件）：
(1)频率相同， 1 2 0; (2)振动方向相同， A1 A2 A1 A2 (3)位相差恒定， 1 2 常数
注意：干涉的光强分布只与光程差 k (r1 k 2 ) 有关。
在两个光波叠加的区域形成稳定的光
强分布的现象，称为光的干涉现象
The term Interference refers to the phenomenon that waves, under certain conditions, intensify or weaken each other.
2
observed visually, projected on a screen, or
recorded photoelectrically.
23
Interference fringes
Zeroth-order maximum
First-order minimum
First-order maximum
1）相干波源到接收屏之间的距离D
2）两相干波源之间的距离d 3）波长
14
干涉条纹间隔与波长的关系
条纹间隔 e ,
e 1 。
白光条纹 0 白条纹 白条纹
15
x
二、两个点源在空间形成的干涉场
两点源形成的干涉场是空间分布的； 干涉条纹应是空间位置对点光源等光程差的轨迹。 ＝r2 r1 ( x d ) 2 y 2 D 2 ( x d ) 2 y 2 D 2 2 2
axial
24
§3－3 干涉条纹的可见度 the visibility (contrast) of interference fringes
《大学物理教程》郭振平主编第三章光的干涉知识点及课后习题答案
图3-2
如图3-2所示，设薄膜的厚度为 e ，折射率是 n ，薄膜周围介质的折射率是 n1 ，光射入
薄膜时的入射角是 i ，在薄膜中的折射角是 ，透镜 L 将a、b两束平行光会聚到位于透镜焦
平面的观察屏P上使它们相互叠加形成干涉。
当 n n1 时在反射光中要考虑半波损失，反射光中亮条纹和暗条纹分别对应
杨氏双缝干涉：
图3-1
杨氏双缝干涉实验装置如图 3-1 所示，亮条纹和暗条纹中心分别为
x k D ， k 0,1, 2,... ：亮条纹中心 a
x 2k 1 D ， k 1, 2, ：暗条纹中心
2a 式中， a 为双缝间距； D 为双缝到观察屏之间的距离； 为光波的波长。
杨氏双缝干涉条件： a ≈ ； x << D 。
2e
n2
n12
sin 2
i
k
1 2
：亮条纹
2e n2 n12 sin2 i k ：暗条纹 k 1, 2,3, 。
由此可以看出，对厚度均匀的薄膜，在 n 、 n1 、 n2 和 e 都确定的情况下，对于某一波长 而言，两反射光的光程差只取决于入射角。因此，以同一倾角入射的一切光线，其反射相干 光有相同的光程差，并产生同一干涉条纹。换句话说，同一条纹都是由来自同一倾角的入射 光形成的。这样的条纹称为等倾干涉条纹。
中央明纹相位差 0 ，光强 I0 4I1
P 点相位差 ，该点的光强度和中央明纹的光强度之比 4
I cos2 cos2 0.8536
I0
2
8
3-2 在杨氏实验装置中，两小孔的间距为 0.5 mm，光屏离小孔的距离为 50 cm。当
以折射率为 1.60 的透明薄片贴住小孔 S2 时，如图 3-5 所示，发现屏上的条纹移动了 1cm， 试确定该薄片的厚度。
第三章 光的干涉和干涉仪-2
加强
根据具体 情况而定
1
2 L 3
( k 1, 2,L )
n2 n1
M1 M2
P
r
(2k 1) 2
减弱
n1
i
A
2
D
2
n2
n1
C
d
E 4 F 5
( k 0,1, 2, L )
B
透射光的光程差 t n2 BC CE n1 EF 2n2 d cos 2
明纹
暗纹
当光程差Δ满足条件 :
极大:
2nh
极小:
2nh
2
m
2
2m 1
2
对于楔形平板，厚度相同点的轨迹是一些平行于楔棱的
等距直线，所以，楔形平板所生的等厚条纹就是一些平
行于楔棱的等距条纹.
讨论
b
n1 n
1）棱边处 h =0, 对应着
n
h
2 半波损失的又一“例证”
2n2 h sin 2
2n1h sin 2
∴ 条纹丌等间隔，中心疏，边缘密
2 反 2h n2 n12 sin 2 1 / 2 k
③、条纹级次分布: h一定时
k 反 i1 rk
k , h一定, i1 rk
R 2º相邻两环的间隔为 r rk 1 rk k 1R kR 2 k
3º复色光入射, 彩色囿环， 4º透射光不之互补 5º 动态反应 连续增加薄膜的厚度,视 场中条纹缩入。反之,冒出。 0 1 2 345…….
L D D L N 2nb b 2n
激光物理实验中光束控制的方法与原理
激光物理实验中光束控制的方法与原理激光，全名为光放大与激射辐射（Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation），是一种具有高度相干性、单色性和定向性的电磁波。
在物理实验中，激光的光束控制是一个关键的问题，因为正确控制光束的特性可以使实验结果更准确、可重复，并提高实验效率。
本文将探讨激光物理实验中常用的光束控制方法和其原理，以及这些方法所应用的具体实例。
对于每种方法，我们将介绍其基本原理，并讨论其在特定实验条件下的优势和局限性。
一、非线性光学晶体控制一种常见的光束控制方法是使用非线性光学晶体。
非线性光学晶体的折射率会随着光强度的变化而变化，从而改变光束的相位和传输特性。
通过控制入射光的强度和角度，我们可以使用非线性晶体来实现光束的调制和变形。
非线性光学晶体控制的原理是基于光与物质相互作用时所发生的非线性效应，比如二次谐波产生和自相位调制。
这些效应可以调整光束的相位和强度分布，从而实现对光束的控制。
举例来说，当我们将激光束通过一个二次非线性晶体时，部分光束会被二次谐波产生所吸收，在出射光中产生一个频率是入射光的二倍的新光束。
通过调整入射光的角度和强度，我们可以控制二次谐波光的强度和空间分布，从而间接地控制原始激光束。
这种方法被广泛应用于光通信和光存储等领域。
二、自适应光学自适应光学是一种根据光束传播路径中的实时信息来调整光束形状和相位的方法。
它通过使用光学元件和控制系统来检测和修正光束的畸变和失焦，以实现优化的光束控制。
在自适应光学中，最常用的控制元件是电磁变焦镜和电磁位移器。
这些元件可以根据传感器测得的光束特性实时调整其形状、焦距和方向。
通过反馈控制系统，光束的畸变可以被动态地纠正，以实现更精确的控制。
例如，当激光束穿过大气层时，大气湍流会使光束发生畸变，从而降低了传输质量。
通过使用自适应光学方法，我们可以在光线传播过程中实时探测和纠正光束的畸变，以获得更稳定、高质量的激光束。
八年级物理上册第三章 光现象知识点总结
第三章光现象第1节光的色彩颜色一、光源1．能够发光的物体叫光源。
2．光源分为：自然光源和人造光源两类。
区别物体是否是光源，关键要抓住物体本身能不能发光来进行鉴别，不能以为亮的物体就是光源。
二、色散17世纪以前,人们一直认为白色是最单纯的颜色。
直到1666年,英国物理学家牛顿用玻璃三棱镜使太阳光发生了色散。
彩虹是太阳光传播中被空气中的水珠反射、折射而产生的色散现象。
1.光的色散：白光（太阳光）经过三棱镜被分解成红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫等多种颜色的光。
2.白光是复合光，是由各种单色光混合而成的。
3.不同颜色的光通过三棱镜时，折射角不同，从而偏折程度不同。
红色偏折程度最小，紫色偏折程度最大。
例如：彩虹——外侧是红色，内侧是紫色。
三、色光的混合1．色光的三原色:红光、绿光、蓝光等比例混合为白光。
2．红光、绿光、蓝光按不同比例混合会得到其它色光，因此把红、绿、蓝叫做色光的三原色。
物体的颜色：物体呈现出不同的颜色是由物体对不同色光的作用决定的。
（1）透明物体的颜色透明物体的颜色由该物体能透过的色光决定，例如，红色玻璃片呈红色，是因为它只能透过红色光，其它色光被吸收。
无色透明体能够透过各种色光。
（2）不透明物体的颜色①不透明物体的颜色由该物体能反射的色光决定。
例如，红花呈红色，是因为它只反射红色光，而其它色光被吸收。
②黑色物体吸收各种色光，不反射任何色光。
③白色物体反射所有的色光，不吸收任何色光。
④灰色物体无差别地吸收并反射各种色光。
如果反射的较多，则呈浅灰色；如果吸收的较多，则呈深灰色。
思考：大海和天空为什么是蓝色的？海水本身无色透明，但太阳光进入海水中时，因为太阳光中的蓝光、紫光会被水中粒子阻挡、反射而均匀地发散到各个方向，其它色光则被吸收，所以我们的眼睛只看到了被散射出来的蓝光、紫光，因而大海看上去呈碧蓝色，同理，天空呈蔚蓝色也是大气散射了太阳光中的蓝光、紫光造成的。
第2节看不见的光1、太阳光谱把太阳光分解成七种不同的色光，按红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫的顺序排列起来就是太阳的可见光谱。
第三章-光束的控制分解
半导体激光和发光二极管调制频率取决于载流 子寿命。电流越高，寿命越短，频率越高
微波+直流46GHz 脉冲编码 脉冲位置调制PPM 脉冲宽度调制PWM
3.2 改变激光谐振腔参量的内调制
原理：1.改变光学介质的折射率 电光；声光；磁光 2.改变谐振腔的Q值：调Q技术 3.使各纵模相干叠加：锁模技术
锁模原理
E (t ) E0
sin[(2 N 1)(qt ) / 2] sin[(qt ) / 2]
ei (0t 0 )
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
2N+1个模式经过锁定以后，总的光波场变为频率为v0 的 单色调幅波，振幅A(t)－即总光波场受到振幅调制 振幅A(t) 是随时间变化的周期函数，光强A(t)2 ，也是时间 的函数,光强受到调制。分母为0时，振幅得到极大值。两 个相继脉冲时间间隔 2 2L
3.2.2 锁模
多纵模运转时，各纵模振幅和相位相差很大 锁模(锁相)：锁定各纵模相位。可获得一系列 脉冲输出(ps,fs)。 超短脉冲可研究基本物理问题
1. 锁模原理
假设(2N+1)个纵模，振幅E0相同，位相锁定如 Φq - Φq-1 = β, Φq Φ0 qβ 下： 光波总电场
克尔效应：外加电场→ 附 加主轴→ o光和e光产生光 程差ΔL =Δn·l=JlV2/d2
J:克尔系数。硝基苯的克尔 系数大。
普克尔Pokels效应
普克尔效应是线性电光效应: δ ∝V l n0 3V 横向普克尔效应E⊥ k 纵向普克尔效应E ∥k
d 3 2 n0 V
实验技术中的超快激光技术的光束调整与控制技巧
实验技术中的超快激光技术的光束调整与控制技巧激光技术作为一种高度精确的实验工具，具有广泛的应用领域，特别是在超快激光实验中更是不可或缺的重要手段。
然而，超快激光实验中的光束调整与控制技巧十分关键，直接影响实验结果的准确性和可靠性。
本文将从光束调整的基本原则、光束质量的提升以及光束控制的技巧等方面探讨超快激光技术中的光束调整与控制技巧。
光束调整是超快激光实验中的首要步骤，其目的是使光束在实验中达到最佳状态，以获得高质量的实验结果。
经验法则指出，对于一般光束传输系统，光束尽可能接近理论最佳光束大小是一个可靠的选择。
首先，我们需要确保激光系统的稳定性，避免光束出现波动或不稳定的情况。
其次，通过调整激光束的大小和方向，使其尽可能地满足实验需求。
为实现这一目标，我们可以采用各种基于准直原理的方法，如使用准直镜或调整光束尺寸的聚焦透镜。
除了光束调整外，光束质量的提升也是超快激光实验中的重要环节。
在超快激光实验中，光束质量的好坏直接决定了实验结果的准确性和可靠性。
为了提高光束质量，我们可以采用一些技术手段。
首先，使用质优的光学元件能够有效改善光束的质量。
应尽量选择表面质量好的镜片和透镜，以减小散射和吸收。
其次，通过优化光路设计和减少光学组件的数量来避免光束的畸变和散焦。
此外，适当的光束整形和光束清洁措施也能够改善光束的质量。
例如，使用全场光干涉法可以实现光束的整形和波前调控，有效去除光束中的像散、球差等畸变。
光束控制是超快激光实验中不可或缺的重要技巧，旨在实现光束的可调控性和定向性。
在光束控制过程中，我们需要考虑光束的各向同性、空间信息和相位延迟等因素。
一种常用的光束控制手段是采用空间光调制器（Spatial Light Modulator，SLM），通过电子相位调制的方式对光束进行修正和调控。
通过控制SLM上的像素，我们可以实现对光束的幅度、相位和偏振进行调整，从而实现光束的精确操控。
此外，还可以使用可变光束分束器（Variable Beam Splitter，VBS）来实现对光束的分割和重组，以满足不同实验需求。
汽车电器设备构造与维修课程课件——第3章照明与信号系统
20
第三章 照明与信号系统
21
第三章 照明与信号系统
22
第三章 照明与信号系统
3.配光镜 作用：将反射镜反射出的平行光束进行折射， 使车前路面和路缘都有良好而均匀的照明 结构：是很多块特殊棱镜和透镜的组合，装于反 射镜之前。
第三章 照明与信号系统
知识目标： 1．掌握汽车灯系的组成和作用； 2．正确描述前照类的分类、组成、结构、基本要求和前照
灯电路； 3．正确描述前照灯的防眩目措施； 4．正确描述转向信号灯及其它信号灯的电路及基本工作过
程。 能力目标： 1．能正确完成前照灯的检测及调整作业； 2．能诊断并排除前照灯常见故障； 3．按照电路图能正确完成信号灯电路的故障诊断与排除。
远光灯丝位于反射镜的焦点处，近光灯丝则位于焦点前方且稍高 出光学轴线，其下方装有金属遮光罩
28
第三章 照明与信号系统
29
第三章 照明与信号系统
30
第三章 照明与信号系统
31
第三章 照明与信号系统
32
第三章 照明与信号系统
遮光罩在安 装时偏转一定的 角度，使其近光 的光形分布不对 称而形成一条明 显的明暗截止线。 若明暗截止线呈 Z形，则称为Z形 配光。不仅可以 避免迎面来车的 驾驶员的眩目， 还可以防止迎面 而来的行人和非 机动车使用者的 眩目，保证了汽 车夜间行驶的安 全。
4.满载时，照明效果不应 因车灯高度变化而下降。
10
第三章 照明与信号系统 二、 前照灯的组成
《光学教程》第五版姚启钧第三章光
I
K级亮纹位置
条纹宽度
当k级亮纹与当k+1级亮纹连起来时，见不到条纹
相干长度—
相干长度
两列波能发生干涉的最大波程差叫相干长度。
S
S1
S2
c1
c2
b1
b2
a1
a2
·
P
S1
S2
S
c1
c2
b1
b2
a1
a2
P
·
波列长度就是相干长度
只有同一波列分成的 两部分，经过不同的路 程再相遇时，才能 发生干涉。
1
解：
2
I=I1+I2
3
由光强公式
4
总光强为： 由于1 和2的频率不同，它们之间不相干。
3.5菲涅耳公式
n1
n2
i1
i’1
i2
Ap1
Ap2
A’p1
As1
A’s1
As2
图中s,p的方向为规定的正方向
S,p,和光线传播方向构成右螺旋
3.5 菲涅耳公式
n1
n2
i1
i’1
i2
Ap1
Ap2
光波
能流密度:是指在单位时间内通过与波的传播方向垂直的 单位面积的能量。
01
光强度I（平均能流密度）正比于电场强度振幅A 的平方。
02
通常:
03
3.光 强
3.2 波动的叠加性和相干条件
波
球面波（点光源） 柱面波（柱形光源） 平面波（光源在无穷远或经过透镜)
平面波公式：
光矢量
O 点的振动:
o
s
n
r
k
r
k
l
《光学教程》第五版 姚启钧 第三章 光的干涉
激光干涉
光的自聚焦、自引导。
光的干涉实验
杨氏双缝干涉
讲述干涉装置和原理。
尘埃粒子干涉
动态相干与空间相干的本质区别。
莫尔斯干涉调制
利用调制器进行干涉测量的实例解释。
干涉模式
光程差干涉 弯曲水平面上的干涉环 薄膜干涉
牛顿环干涉 冷热空气层的干涉 该干涉的原理，双玻片干涉
光栅干涉 干涉过程的向量计算 干涉条纹的旋转
干涉仪器
牛顿环、菲涅耳衍射、光栅涉仪、弗劳恩霍弗干涉仪。
总结
1 同一光源引起的干涉
平行光管干涉、牛顿环干涉、艾里斑、双棱镜干涉。
2 两个光源引起的干涉
杨氏双缝干涉、双光束干涉、自转干涉。
3 应用与发展
干涉光谱学、干涉测量和成像、干涉激光雷达、以及灰度干涉。
交叠效应
平行光管干涉（由同 一光源引起）
研究平行光管的干涉图案与装 置。
双光束干涉（由两个 光源）
解释夫琅禾费衍射现象、夏普 利示波器和干涉仪。
激光干涉（单色相干 光）
描述激光测距、激光飞行时间、 激光干涉仪和激光成像。
应用和意义
干涉技术
干涉测量和成像、干涉光谱学、 干涉激光雷达和灰度干涉。
干涉图案
光学教程：第五版，姚启 钧，光的干涉
光的干涉：介绍干涉理论和实验、相干性、模式、交叠效应和应用。
干涉理论介绍
1
波的叠加原理
相消干涉、相长干涉。
晶格干涉
2
布拉格方程和多晶体衍射。
3
光栅干涉
杨氏干涉、菲涅尔衍射、菲涅尔–柯西公 式。
光的相干性
相干光
时间相干性和空间相干性。
非相干光
部分相干、完全非相干。
八年级物理知识点——第三章 多彩的光
第三章 多彩的光第一节光的反射（一）光的传播1、光源的特点：光源指自身能发光的物体，太阳、发光的电灯、点燃的蜡烛都是光源，有些物体本身不发光,但由于它们能反射太阳光或其它光源射出的光，好像它们也在发光一样，不要被误认为是光源，如 月亮和所有行星，不是光源 。
2、光的传播规律： 光在 同一种均匀透明 介质中沿直线传播。
（三个条件）3、光的传播速度： 光速与介质有关（但是光的传播不需要介质），光在不同介质中的传播速度不同，光在真空中的传播速度最大, 真空或空气中的光速 c=3×10 8m/s ，光在水中的速度约为真空中的3/4，光在玻璃中的速度为真空中的2/3。
4、光年： 是长度单位 不是时间单位。
是指光在1年内传播的距离，5、光线： 用一条带有 箭头 的 直线（用实线）表示光的传播径迹和方向，这样的直线叫光线。
6、应用及现象：（1） 激光准直 。
（例子：种树、排队、挖掘隧道、射击）（2） 影子的形成：光在传播过程中，遇到不透明的物体，在物体的后面形成黑色区域即影子。
（3） 日食月食的形成 ：当地球在中间时可形成月食。
如图：在月球后1的位置可看到日全食，在2的位置看到日偏食，在3的位置看到日环食。
（4） 小孔成像 ：成倒立的实像，其 像的形状 与孔的形状无关 。
（二）光的反射1、光的反射及反射定律（1）反射：是指光从一种介质射到另一种介质表面时，有部分光返回原介质中传播的现象。
（2） 反射定律：（共面、异侧、等角）①反射光线和入射光线、法线 在同一平面 上。
②反射光线和入射光线分居 法线两侧 。
③反射角 等于入射角 。
入射点： 入射光线与镜面的交点。
法线： 从光的入射点O所作的垂直于镜面的线ON叫做法线。
入射角： 入射光线 与法线的夹角 叫做入射角；入射光线 与镜面垂直 时， 入射角为0度。
反射角： 反射光线 与法线的夹角 叫做反射角。
（3） 反射现象中光路可逆 ：光线沿原来的反射光线的方向射到界面上，这时的反射光线定会沿原来的入射光线的方向射出去。
《光学教程》第五版 姚启钧 第三章 光的干涉.解析
r2 r1
2
3.3.2 干涉图样
2 I A12 A2 2 A1 A2 cos 2 A1 A2 2 A1 A2 2
2 j
干涉相长
2 j 1 干涉相消
j 干涉相长（明纹） 1 j 2 干涉相消（ 暗纹）
1 A1 A2 2 A1 A2 2 A1 A2 V 2 2 2 A1 A2 1 A1 A2 0 A1 A2
——验证了干涉条件之一 振幅相差不能太大 令
I 0 I1 I 2 A A
2 1
2 1 2 2
2 2
2 A1 A2 I A A 1 2 cos 2 A1 A2 I 0 1 V cos
由光强公式
1 I1 4 I10Cos , 2 2 2 I 2 4 I 20Cos 2
2
1
2
1 2 2 2
I I1 I 2
,
yd l
dy 2dy 4 I10Cos 4 I 20Cos l1 l2
2
3.5菲涅耳公式
As1 n1 n2 Ap1 A’s1 A’p1
400 430 450 500 570 600 630 760 nm
紫
蓝
青
cyan
绿
green
黄
橙
红
purple blue
yellow orange red
可见光 4~7.6 × 1014Hz
ν——频率，表征发光机制的物理量 真空中， 介质中，
c 0
0
n
折射率的定义：
张招红-光束线运动控制
y3 y2
三、例子：PAL压弯机构运动控制
• 7个被控量：
– 垂直平移：Y= （y2+y3+2*y1）/4 – 投角：Pitch=arctg[(y3+y2-2y1)/L] – 滚角：Roll= arctg[（y3-y2)/W] – 水平平移：X=（x1+x2）/2 – 摆角：Yaw=atg((x2-x1)/L) – 压弯：bender=bender
四、控制界面
• 限位保护
-限位开关保护
-软限位保护
四、控制界面
• Backlash机制
运动轴是丝杠，来回运动时会 有齿隙误差，Backlash功能可 消除齿隙误差；
四、控制界面
• 其他功能 -stop etc -运动前命令和运动后命令
-闭环 -状态监测
五、运功控制应用开发
• 开发手段 -EPICS平台 运行环境 -motor记录:直接控制电机 Db编程 -transform记录：数据中间计算 -sscan记录：扫描电机并获取保存数据 保存和恢复状态变量 -autosave模块 -python脚本 脚本编程 -sequencer状态机
Soft motor Y、Pitch、Roll y、p、r Transform z1=y-970/2*tan(p) z2=y+970/2*tg(p)-220/2*tan(r) z3=y+970/2*tg(p)+220/2*tan(r) z1、 z2、z3
motor
z1、z2、z3
Y、P、R
Y、P、R
v vt v0
tvt
t
四、控制界面
• 坐标系
-User坐标系： 1、使用对象：实验用户 2、零点：用户自己设定 -Dial坐标系： 1、使用对象：工程师 2、零点：零点开关位置 -坐标转换
高功率激光技术中的光束控制和相关问题
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高功率激光技术中的光束控制和相关问题 4
" 吕百达# ! 季小玲#! ! 罗时荣#
" 四川大学激光物理与化学研究所 ! 四川 成都 !A #( # $ $ A ># 四川师范大学电子工程学院 ! 四川 成都 !A $ "( # $ $ A A 对高功率激光进行了研究 % 以平顶高斯光束为例 ! 推导出了它通过无光阑和有光阑的近 !! 摘要 ! 包括光束传 输因子 " & 陡峭 轴? D R b 光学系统传输的解析表达式 % 给出了它的特征参数 ! ?" 因 子 $ 度" 和桶中功率 " 并 作 了 物 理 分 析%最 后! 指出高功率激光光束控制应使光束在靶面 $ 参数 $ < * D$ 上的功率’能量集中度 & 时间和空间波形 & 瞄准稳定性以及时间持续性等指标满足应用要求 % 关!键!词! !! 光束控制 # ! 高功率激光器 # ! 特征参数 中图分类号 ! ! " ;) " >!! 文献标识码 ! ?!! 文章编号 ! # $ $ 8 @ " " 8 A " $ $ ! $ # @ $ $ 9 " @ $ 9
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3.2.1 激光的腔内电光调制
电光效应：某些晶体在外加电场的作用下，
折射率发生变化的一种现象
介质在平行于外加电场方向上产生一附加主轴， 使入射光产生o光和e光两分量，其折射率不同， 传输速度不同，形成光程差Δn·l，感生相移 2π/λ · Δn·l,
正比于V2，克尔效应； 正比于V，普克尔效应
克尔Kerr效应
光轴：光沿这个方向传播时，折射率与偏振无关 晶体的双折射： (平面偏振)光束入射到晶体内， 分解为:(a)寻常光(o光，平行于光轴)； (b)非常光 (e光，垂直于光轴)
正晶体no<ne ，负晶体no>ne no≠ne →vo ≠ ve→产生光程差Δn·l →相移δ →偏振态改变
x(cos i - cosr ) m/n
只能m=0, θi = θr
布拉格衍射
相邻波平面反射光衍射
2 ssin B /n
θB = θi = θr θB较小，衍射效率高，可以全部以1级衍射 出射
声光栅运动，衍射光产生多普勒频移
2 2ssin B c/n c/n
q c
此时振幅(2N+1) E0，峰值功率较高，正比于(2N+1)2 E0 2 ， 一般非均匀加宽激光器，各模式相位随机，功率正比于 (2N+1) E0 2 Δτ=1 /Δν，非均匀加宽带宽 越大，谱线越窄
2.锁模方法
锁模激光器可理解为腔内往返传输的一个光 脉冲，也可理解为聚集在一起的光子包束在 反射镜之间来回反射 主动锁模 腔内加一受外加信号驱动的主动调制器，产 生频率为Δωq并随时间按正弦变化的损耗。
普克尔电光效应
KDP(KH2PO4)晶体外加电压
Z向加电压，E=Ez≠0,Ex=Ey=0 变换后
新的椭球在x-y平面内旋转45 °，电感应主轴x ′，y ′
nx ' n0 n0 63 E z / 2
3
n y ' n0 n0 63 E z / 2
3
普克尔电光效应
E (t ) E0
q N
E e
0
N
i[( 0 q q ) t 0 q ]
sin[(2 N 1)( q t ) / 2] sin[( q t ) / 2]
q
e i ( 0t 0 )
其中
c
L
, q 0 qq
3.2.2 Q调制
调Q原理
W Q 0 ( ) - dW/dt
Q值定义：P34 泵浦时：Q值很低，振荡阈值很高，粒子数反 转，但没有激光振荡输出 粒子数反转达到峰值，Q值突然增加，振荡阈 值急降，振荡场迅速增长，输出巨脉冲(ns)。
脉冲泵浦下的调Q过程
Q调制
Q开关：快门 实现Q开关作用两个重要条件
Z=L 出射光信号
n0 e0 (t ) A cos[t (n0 63 E z ) L] c 2 3 n0 A cos[t (n0 63 Em sin mt ) L] c 2
3
•略去相角常数项
•调相指数
e0 (t ) A cos[t p sin mt ]
T sin [ ( 2 2
简化
1 1 T [1 sin( m sin mt )] (1 m sin mt ) 2 2
其中δ m«1，输出光强的变化与调制信号成近似线性 关系。
3.3.2 电光相位调制
起偏器x′(或y′)方向
z=0 入射光信号
偏置电场
ei (t ) A cost Ez (t ) Em (t ) sin mt
3
•δ=π的外加电压称半波电压，V π或Vλ/2 3 V /(2n0 63 ) V / V •则 3 n V 2 2 0 63V T sin ( ) sin ( ) •于是 2 V T〜V曲线中，在V π/2或Vλ/4处有一近似线性区。 需要加π/2偏置，a.加直流电压。b.插入λ/4波片
声波在介质中形成①行波②驻波
声光调制的两种基本途径
喇曼-奈斯衍射 布拉格衍射
喇曼-奈斯衍射
光束平行于声波波面入射，0，1级衍射出 射，由光阑+透镜，再组合成一平面波面 改变声频→改变衍射角→改变1级衍射光 强弱，达到调制的目的
布拉格衍射
声波波长λs，速度vs；光波波长λ，入射角θi 同一面上两条光线衍射
锁模原理
E (t ) E0
sin[(2 N 1)(qt ) / 2] sin[(qt ) / 2]
ei (0t 0 )
2N+1个模式经过锁定以后，总的光波场变为频率为v0 的 单色调幅波，振幅A(t)－即总光波场受到振幅调制 振幅A(t) 是随时间变化的周期函数，光强A(t)2 ，也是时间 的函数,光强受到调制。分母为0时，振幅得到极大值。两 个相继脉冲时间间隔 2 2L
s
3.4 声光效应的外调制
声光调制器
3 I1 L 2 1 2 2 n sin [ ( nL)] sin [ PSL] sin 2 [ Ii 2 2 2
P 2n6
s
3
Is ]
其中P为光弹性系数，S为声应变振幅
S
2I s
s 3
ρ为工作液体密度，Is为声强度
p n03 63 Em L / 2c n03 63 Em L /
3.3.2 电光相位调制
光信号p相位受到的调制，实质也是频率调制。 经电光调制后，出射光频信号除原有的频率光之 外，还有 m, 2m等边频光。
3.4 声光效应的外调制
声光效 应：超声波在声光介质中传播时引 起介质密度交替的变化，折射率也会发生 相应变化，产生相位光栅。光波通过时就 会被介质中的弹性波所衍射。
3.2.2 锁模
多纵模运转时，各纵模振幅和相位相差很大 锁模(锁相)：锁定各纵模相位。可获得一系列 脉冲输出(ps,fs)。 超短脉冲可研究基本物理问题
1. 锁模原理
假设(2N+1)个纵模，振幅E0相同，位相锁定如 Φq - Φq-1 = β, Φq Φ0 qβ 下： 光波总电场
普克尔电光效应
用折射率椭球可以描述各向异性晶体的光的传播特性 x2 y2 z2 2 2 1 2 nx ny nz
单轴晶体中
x2 y 2 z 2 2 2 1 2 no no ne
OP传输光，作一垂直于OP的面，截得一椭圆，其长短轴 大小分别表示两个偏振向的折射率 对晶体加电压后，折射率椭球的形状、大小、方位均发生 变化。
激光的腔内电光调制
具有一定位相差的互相垂直的两个线偏振光，合成后偏振 态取决于δ。一般为椭圆偏振光。δ=π/2时，变为圆偏振光 。δ=π时，仍是线偏振光，但偏振方向旋转了90°。所加 的电压称为半波电压，用Vπ或Vλ/2 表示 V /2 3 2no 63
激光腔内放置普克耳盒，外加电压使偏振发生偏转，调制 光通过布氏窗反射出去
nx ' n0 n0 63 E z / 2
3
n y ' n0 n0 63 E z / 2
3
3.3.1 电光振幅调制
调制信号Vmsinω mt δm=πVm/Vπ 则 2 1
Vm sin mt 1 )] sin 2 [ ( m sin mt )] V 2 2
第三章 光束的控制
光束的控制，就是用信息信号对激 光辐射进行作用。 分类： 根据调制的参量：振幅调制； 频率调制；相位调制；光偏转 根据位置：腔内调制；腔外调 制
3.1 改变激励电流的内调制
电灯泡等热发光器件，热变化慢，调制频率低 激光器的调制频率与能级寿命有关
Ar+激光4GHz；He-Ne激光1MHz；CO2激光几KHz； Nd:YAG激光几KHz
泵浦速率快于上能级的自发跃迁速率 Q开关动作快。<10ns 电光调Q：克尔效应，普克尔效应 染料调Q 可饱和吸收 声光调Q 转镜调Q
调Q技术
电光Q调制
电光Q开关：克尔盒或普克尔盒加电场 晶体上加电压，偏振片产生的线偏振光入射， 后变成圆偏振，经反射镜后再经过晶体，再旋 转成为线偏振，但偏振方向差90 °，不能通 过偏振片，这时是低Q状态，高阈值，激光不 能振荡。电压为0时，高Q低损低阈值
半导体激光和发光二极管调制频率取决于载流 子寿命。电流越高，寿命越短，频率越高
微波+直流46GHz 脉冲编码 脉冲位置调制PPM 脉冲宽度调制PWM
3.2 改变激光谐振腔参量的内调制
原理：1.改变光学介质的折射率 电光；声光；磁光 2.改变谐振腔的Q值：调Q技术 3.使各纵模相干叠加：锁模技术
克尔效应：外加电场→ 附 加主轴→ o光和e光产生光 程差ΔL =Δn·l=JlV2/d2
J:克尔系数。硝基苯的克尔 系数大。
普克尔Pokels效应
普克尔效应是线性电光效应: δ ∝V l n0 3V 横向普克尔效应E⊥ k 纵向普克尔效应E ∥k
d 3 2 n0 V
折射定律 θr«1得
sin r / sin r ' n
dn n r r ' n L L dx D