激光器的模式選擇和調(diào)制技術(shù)課件

1、第六章、激光器的模式選擇和調(diào)制技術(shù)1. 激光模式選擇極其意義2. 橫模選擇技術(shù)3. 縱模選擇技術(shù)4. 激光模式測量技術(shù)5. 激光調(diào)制的基本概念6. 激光調(diào)制技術(shù)1、激光模式選擇極其意義激光的優(yōu)點(diǎn)在于功率高、方向性好、單色性和相干性好，一個(gè)理想的激光器輸出光應(yīng)按需要控制輸出模式，很多情況下我們希望只輸出單一的橫模和縱模。因此產(chǎn)生了以控制輸出光束發(fā)散角和光強(qiáng)分布為主要目的的橫模選擇技術(shù)，以及以獲得窄線寬為主要目的縱模選擇技術(shù)。橫模選擇極其意義 激光器的橫模決定了輸出光束的光強(qiáng)分布和發(fā)散角 從工業(yè)的鉆孔、焊接到光通信，從激光醫(yī)療到激光測距，橫模輸出的選擇都非常重要TEM00模TEM10模TEM20模

2、TEM11模TEM02模TEM01模TEM12模TEM00模TEM01模TEM10模TEM11模激光橫模偏振結(jié)構(gòu)圖縱模選擇極其意義 在激光器縱模頻率間隔小于增益曲線寬度的情況下，如果不加任何控制，激光器一般將產(chǎn)生多縱模輸出 激光的很多應(yīng)用中需要單色性很好的窄線寬光源，縱模選擇在這時(shí)就是必不可少的技術(shù)增益損耗實(shí)際振蕩的縱模半導(dǎo)體激光器的縱模2、橫模選擇技術(shù)激光振蕩的建立條件是增益G大于損耗G = i + m+ d其中i為激光在腔內(nèi)傳輸由于散射、吸收產(chǎn)生的損耗， m為反射鏡產(chǎn)生的損耗； d為諧振腔中由衍射產(chǎn)生的損耗。選擇橫模的兩個(gè)原則1. 必須盡量增大高階模與基模的衍射損耗比2. 必須盡量減少腔內(nèi)

3、其他損耗i和鏡面損耗m ，從而相對增大衍射損耗d在總損耗中的比例激光器的橫?；臃叫午R和圓形鏡的激光橫?；訄A形鏡腔的三個(gè)低階模式的強(qiáng)度分布圖1、橫模選擇原理初始光強(qiáng)為I0的某個(gè)橫模，在諧振腔內(nèi)經(jīng)過一次往返后其光強(qiáng)變?yōu)椋篏L2exp1rrII2210閾值條件為：0II 由此得出：1GL2exp1rr221若實(shí)現(xiàn)單橫模運(yùn)轉(zhuǎn)，應(yīng)使以下2式同時(shí)成立。1GLexp1rr1GLexp1rr01210021球面鏡諧振腔的兩個(gè)重要參數(shù)g參數(shù)其中L為腔長，R為球面鏡曲率半徑。菲涅爾數(shù)其中a為腔內(nèi)有效孔徑的半徑，L為腔長。 衍射損耗是諧振腔參數(shù)g和菲涅爾數(shù)N的函數(shù)RLg1LaN2腔參數(shù)g和菲涅爾數(shù)N與衍射損耗的

4、關(guān)系設(shè)計(jì)腔參數(shù)g、N選擇橫模 在增益較小的激光器件中，可以通過適當(dāng)?shù)那粎?shù)設(shè)計(jì)選擇基橫模 N一定時(shí)g參數(shù)絕對值越小，各模式的d也越小，比值10 /00增大。 因此，考慮各模式的d ，以及10 /00，同時(shí)考慮模體積，適當(dāng)選擇g和N就可以選出基模。如He-Ne激光器。圓形鏡對稱穩(wěn)定腔兩個(gè)低階模的衍射損耗比圓形鏡平凹穩(wěn)定腔兩個(gè)低階模的衍射損耗比2、光闌法選橫模 在激光諧振腔內(nèi)插入小孔光闌相當(dāng)于減小腔鏡尺寸，即減小了諧振腔的菲涅耳數(shù)N。菲涅耳數(shù)越小，衍射損耗就越大。適當(dāng)控制光闌尺寸，使腔內(nèi)只有基模能夠振蕩。 小孔光闌方法最簡單易行，且有效。但同時(shí)須考慮模體積問題。小孔光欄 腔鏡1腔鏡2r為小孔光欄半

5、徑，a為反射鏡半徑小孔光欄選橫模腔型舉例 3、介穩(wěn)腔和非穩(wěn)腔選模 介穩(wěn)腔和非穩(wěn)腔由于模式衍射損耗增加，高階模起振比較困難，所以只要適當(dāng)控制腔參數(shù)就可以實(shí)現(xiàn)基模輸出。 非穩(wěn)腔還有模體積大，可以充分利用增益介質(zhì)實(shí)現(xiàn)大功率輸出的優(yōu)點(diǎn)。0非穩(wěn)區(qū)非穩(wěn)區(qū)非穩(wěn)區(qū)非穩(wěn)區(qū)g1g211-1-1當(dāng)諧振腔參數(shù)趨近介穩(wěn)腔時(shí)損耗差迅速增加4、特殊腔鏡選模1）高斯鏡選模腔鏡反射率呈高斯分布，使腔鏡選擇性對基模提供反饋，而對高階模損耗很大，由此實(shí)現(xiàn)基模振蕩。此技術(shù)可以有效選擇模式輸出，并實(shí)現(xiàn)大模體積運(yùn)轉(zhuǎn)，提高激光器的單模輸出功率。RD2）相位供軛反射鏡諧振腔選橫模式中 是以方向余弦 =u = v 傳輸?shù)钠叫衅矫娌ā(u.v

6、)為復(fù)振幅。設(shè)腔內(nèi)為自由空間，腔長為l，傅立葉傳輸方程為在一個(gè)激光諧振腔內(nèi)設(shè)輸出鏡一端的光場分布為：dudyxujuAyxa)(2exp).(),()(2expyxuj2212212expljH全反鏡一端復(fù)振幅可寫為如果我們制作一個(gè)反射鏡，反射系數(shù)R可以表示為其中*代表共軛dudljyxujuAyxb2212exp)(2exp),() , (, , ) , (2yxbyxbyxR反射波則由下式表示dudljyxujuAyxbyxRyxb22212exp2exp),(, , , 當(dāng)其通過距離l的自由空間傳播回輸出鏡時(shí)有將輸出鏡系數(shù)選擇為這樣經(jīng)過一次往返實(shí)現(xiàn)了自在現(xiàn)。實(shí)際上我們可以設(shè)計(jì)任意強(qiáng)度分布

7、和形狀的光場作為我們希望的振蕩模式，制造一對符合要求的相位共軛鏡，以達(dá)到選模目的。yxadudyxujuAyxa,2exp, yxayxRyxayxayxayxR,11經(jīng)過共軛鏡反射后光強(qiáng)分布的復(fù)原過程共軛反射鏡的測試光路5）橫模的疊加與轉(zhuǎn)換以TEM01模為例討論模式的疊加與轉(zhuǎn)換右圖上部為doughnut mode 的波前下面為模式的光強(qiáng)分布花樣它是由兩個(gè)不同偏振和光強(qiáng)分布的TEM01模疊加組成的both the Hermite Gaussian and the Laguerre Gaussian 3、縱模選擇技術(shù) 色散腔法粗選波長 短腔法選縱模 F-P標(biāo)準(zhǔn)具法 復(fù)合腔法選縱模 行波腔選縱模

8、其他縱模選擇方式色散腔粗選波長 當(dāng)激光工作物質(zhì)中有多個(gè)能級間可以發(fā)生激光躍遷，從而可以產(chǎn)生多波長激光輻射的情況下 或者工作物質(zhì)有相當(dāng)寬的增益線寬 如果在應(yīng)用中，需要選出對應(yīng)某一波長附近的一個(gè)或一組縱模時(shí) 利用色散腔選擇縱模是最為實(shí)用且有效的方法棱鏡色散腔光柵色散腔外腔半導(dǎo)體激光器短腔法選縱模 諧振腔模間隔=C/2nL 如果設(shè)計(jì)腔長L使模間隔 增益曲線寬度 g則可以實(shí)現(xiàn)單縱模工作例如：He-Ne 10cmCO23mVCSEL損耗F-P標(biāo)準(zhǔn)具選模標(biāo)準(zhǔn)具腔鏡1腔鏡2激光介質(zhì)雙標(biāo)準(zhǔn)具組 腔鏡1腔鏡2激光介質(zhì)兩標(biāo)準(zhǔn)具的厚度不同縱模間隔不同振蕩模式必須同時(shí)符合三個(gè)諧振腔的參數(shù)要求從而達(dá)到選模目的復(fù)合腔法選

9、縱模1. 邁克爾遜式復(fù)合腔=C/2n(l1-l2)2、Fox-Smith式復(fù)合腔=C/2n(l1+l2)l1l2l1l2行波腔選縱模法 在均勻加寬工作物質(zhì)中，以行波方式產(chǎn)生激光振蕩，消除空間燒孔效應(yīng)就可以實(shí)現(xiàn)單縱模輸出4、激光模式測量技術(shù)橫模測量技術(shù)1、直接觀測法2、小孔掃描法3、CCD成像激光器激光器CCD衰減片擴(kuò)束透鏡.脈沖、連續(xù)激光橫模-光斑品質(zhì)分析系統(tǒng) 縱模測量技術(shù) 掃描干涉儀 光譜分析儀匹配透鏡隔離器光欄壓電陶瓷探測器5、激光調(diào)制的基本概念 應(yīng)用某種方法對激光的強(qiáng)度、頻率、相位等參數(shù)進(jìn)行調(diào)制稱為激光調(diào)制 把準(zhǔn)備傳輸?shù)男畔⒓虞d于激光載波的過程應(yīng)用激光調(diào)制技術(shù) 激光調(diào)制根據(jù)其與激光器的關(guān)

10、系，可分為內(nèi)調(diào)制和外調(diào)制 內(nèi)調(diào)制是指加載調(diào)制信號在激光振蕩過程中進(jìn)行，即以調(diào)制信號的規(guī)律去改變激光振蕩參數(shù)，從而改變激光輸出特性以實(shí)現(xiàn)調(diào)制 外調(diào)制是指加載信號在激光輸出后進(jìn)行，通常是在激光諧振腔外，光路上放置調(diào)制器。 激光調(diào)制有調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相和脈沖調(diào)制等方式6、激光調(diào)制技術(shù)1.調(diào)制的基本概念2.內(nèi)調(diào)制3.外調(diào)制4.電光調(diào)制5.聲光調(diào)制6.磁光調(diào)制7.干涉調(diào)制8.其他調(diào)制技術(shù)1、調(diào)制的基本概念 振幅調(diào)制 頻率調(diào)制和相位調(diào)制 強(qiáng)度調(diào)制 脈沖調(diào)制 脈沖編碼調(diào)制 ttmAtemcoscos1 tmtAtemsincos ttmAtIm22coscos12模擬調(diào)制數(shù)字調(diào)制內(nèi)調(diào)制 主要用于半導(dǎo)體激光器

11、通過改變驅(qū)動(dòng)電流實(shí)現(xiàn)對輸出光的調(diào)制 一般通信采用強(qiáng)度調(diào)制 也可進(jìn)行頻率調(diào)制 既可以進(jìn)行數(shù)字通信，也可以傳輸模擬信號 一般直接調(diào)制速率很難超過5G外調(diào)制1、電光調(diào)制、電光調(diào)制有兩種調(diào)制中常用的電光效應(yīng)，一種是折射率的變化量與外電場強(qiáng)度的一次方成比例，稱為泡克耳斯（Pockels）效應(yīng)；另一種是折射率的變化量與外電場強(qiáng)度的二次方成比例，稱為克爾（Kerr）效應(yīng)。利用克爾效應(yīng)制成的調(diào)制器，稱為克爾盒，其中的光學(xué)介質(zhì)為具有電光效應(yīng)的液體有機(jī)化合物。利用泡克耳斯效應(yīng)制成的調(diào)制器，稱為泡克耳斯盒，其中的光學(xué)介質(zhì)為非中心對稱的壓電晶體。泡克耳斯盒又有縱向調(diào)制器和橫向調(diào)制器兩種。常用電光調(diào)制技術(shù)1.電光調(diào)制原

12、理縱向電光調(diào)制nx=no1/2no363Ezny=no+1/2no363Eznz=ne橫向電光調(diào)制xyyzxV起偏器檢偏器/4xzy檢偏器V縱向電光調(diào)制原理在x方向折射率比原來減小了1/2n0363Ez，而y方向的折射率則增加了1/2n0363Ez，如圖2018（b）所示。當(dāng)沿z軸方向入射的線偏振光進(jìn)入晶體后，即沿x、y方向分解為兩個(gè)互相垂直的偏振分量。由于它們的折射率不同，則沿x方向振動(dòng)的光傳播速度快，稱為“快光”；而沿y方向振動(dòng)的光傳播速度慢，稱為“慢光”。則兩束光經(jīng)晶體（長度為L）后，將產(chǎn)生位相差，則有：=2/(nxny)L=2/n0363EzL=2/n0363V，當(dāng)晶體上所加電壓在0-

13、V2之間連續(xù)變化時(shí)，其也就隨著從0-，則其合成振動(dòng)的軌跡不斷經(jīng)歷著從直線橢圓圓橢圓直線周而復(fù)始的連續(xù)變化。這種變化的偏振光通過檢偏器A，即可得光強(qiáng)度的周期變化（強(qiáng)度調(diào)制）。光強(qiáng)與相位差的關(guān)系如圖曲線所示。透射率（I/Ii）隨外加電壓變化的光強(qiáng)調(diào)制特性曲線I/Ii=sin2(1/22/n0363V)=sin2(/2V/V) 加加/4/4波片的泡克耳斯盒示意圖波片的泡克耳斯盒示意圖 泡克耳斯盒加泡克耳斯盒加/4/4波片與不加波片與不加/4/4波片的區(qū)別示意圖波片的區(qū)別示意圖a) 不加/4波片 b) 加/4波片 泡克耳斯效應(yīng)的時(shí)間響應(yīng)特別快，能跟得上1010Hz的電壓變化，而且與U成線性關(guān)系，所以多

14、用泡克耳斯盒來作電光調(diào)制器。橫向電光調(diào)制器（磷酸氫鉀類晶體第一種運(yùn)用方式）的組成如圖所示。主要由起偏器、調(diào)制晶體（45-z切割）、檢偏器等組成。因?yàn)檠貁軸方向外加電場，所以Ex=Ey=0,Ez=E，但因通光方向與z軸相垂直，并沿著 y方向入射，則進(jìn)入晶體后，將分解為沿 x、z方向振動(dòng)的二分量。有：nx-nz=n0-1/2n0363Ez-ne當(dāng)通光方向上晶體長度為L，厚度為d，外加電壓V=Ezd,則從晶體出射時(shí)的相位差為橫向電光調(diào)制原理=2/(nx-nz)L=2/(n0-ne)L-1/2n0363(L/d)V 由上式可知，在橫向運(yùn)用時(shí)，光通過晶體后的相位差包括兩部分：第一部分是與外電場無關(guān)，由晶

15、體本身的自然雙折射所引起的相位延遲，即上式中的第一項(xiàng)。它對調(diào)制器的工作沒有什么作用，當(dāng)溫度變化時(shí)，還會(huì)帶來不利影響，應(yīng)設(shè)法消除。第二部分是外加電場作用產(chǎn)生的相位延遲，它與外加電壓V和晶體的尺寸(L/d)有關(guān)，所以適當(dāng)選擇晶體的尺寸，可降低其半波壓。一般橫向調(diào)制器橫向運(yùn)用時(shí)其半波電壓要低于縱向運(yùn)用。組合調(diào)制器進(jìn)行溫度補(bǔ)償 自然雙折射引起的相位差隨溫度改變 調(diào)制器一般需要做溫度控制 為更好的減小溫度漂移的影響常用組合調(diào)制器進(jìn)行溫度補(bǔ)償zz.x xyxz.yzx /2EEEE尺寸任何小于或等于3尺寸公差Z軸：0.3mmX軸,Y軸:0.1mm倒角小于0.5mm,455晶向精度Z軸:5X軸,Y軸:10平

16、行度10表面質(zhì)量10/5平面度/8at 632.8nm鍍膜R0.2% 1064nm波前畸變400:1633nm,6mm光束 鈮酸鋰LiNbO3摻鎂鈮酸鋰Mg:LiNbO3 3鈮酸鋰 LiNbO3 晶片光學(xué)級鈮酸鋰晶體光學(xué)級鈮酸鋰晶體(LiNbO3)鈮酸鋰是非線性光學(xué)級晶體，廣泛應(yīng)用于參量振蕩器、倍頻、聲光器件、光學(xué)調(diào)制器。MgO的摻入可有效提高晶體的抗損傷閾值、目前大量使用的光波導(dǎo)器件是在鈮酸鋰基片上采用鈦擴(kuò)散或質(zhì)子交換工藝，利用線性電光效應(yīng)制成光相位調(diào)制器、光開關(guān)、光濾波器、光衰減器等。主要應(yīng)用于光纖通信、光纖傳感、光學(xué)儀器、光信息處理和光計(jì)算等方面。 可加工不同角度及尺寸的鈮酸鋰晶片、晶條

17、，制成檢波片、偏振片等，用于制作光偏轉(zhuǎn)器、光調(diào)制器、光隔離器等。主要應(yīng)用于光纖通信產(chǎn)業(yè)中的光無源器件。 光通信中使用的高速鈮酸鋰調(diào)制器鈮酸鋰光波導(dǎo)高速相位調(diào)制器鈮酸鋰光波導(dǎo)高速相位調(diào)制器美國NEOS公司提供各種Q-開關(guān)，射頻反射小，關(guān)斷激光功率高，最大達(dá)110W。 2、聲光調(diào)制 超聲波在聲光介質(zhì)中傳播會(huì)引起介質(zhì)密度呈疏密交替的變化，其折射率也發(fā)生相應(yīng)變化。超聲波作用的這部分介質(zhì)即可視為一個(gè)相位光柵，其周期等于聲波波長。 聲波在介質(zhì)中傳播分為行波和駐波兩種形式，行波形成的光柵是移動(dòng)的駐波光柵是靜止的n距離平均折射率入射光I1I2I0I-1I-2i2i喇曼衍射布喇格衍射聲光調(diào)制原理圖2031(b)

18、表示為不同超聲波面上的衍射情況。其衍射干涉極大值條件為：FEEGm即 s(sini+sind)=mFE聲光器件的基本結(jié)構(gòu)示意圖聲光器件的基本結(jié)構(gòu)示意圖聲光器件由聲光介質(zhì)和換能器兩部分組成。常用的聲光介質(zhì)有鉬酸鉛晶體（PM）、氧化碲晶體和熔石英等。換能器即超聲波發(fā)生器，它是利用壓電晶體使電壓信號變?yōu)槌暡?，并向聲光介質(zhì)中發(fā)射的一種能量變換器。 實(shí)用聲光調(diào)制器聲光介質(zhì)。聲光介質(zhì)是聲光相互作用的場所，常用的聲光材料有液體、玻璃和無晶體等聲光介質(zhì)材料的性能對調(diào)制器的質(zhì)量有直接的影響。因此合理選擇聲光材料是很重要的。主要應(yīng)考慮以下幾方面因素：提高調(diào)制效率，減小聲功率。=I/Ii=sin2(v/2)調(diào)制器應(yīng)有較大調(diào)制帶寬電聲換能器（又稱超聲波發(fā)生器）換能器的聲阻抗應(yīng)盡可能接近介質(zhì)的阻抗高效率的吸聲（或反射）裝置聲光移頻kikskd 聲光介質(zhì)和生光調(diào)制器 3、磁光調(diào)制 磁光調(diào)制器是利用法拉第效應(yīng)制成的 調(diào)制功率低 受溫度影響小 由于大多現(xiàn)有磁光介質(zhì)對波長小于1微米的光吸收損耗大所以主要用于對1微米以上紅外光的調(diào)制調(diào)制電源起偏器檢偏器磁光調(diào)制原理原來沒有旋光性的透明介質(zhì)，如水、鉛玻璃等，放在強(qiáng)磁場中，可產(chǎn)生旋光性，這種現(xiàn)象稱為法拉第