激光測量第一章16

1、1.6 激光調(diào)制技術激光調(diào)制技術v1.光調(diào)制的意義光調(diào)制的意義所謂所謂“調(diào)制調(diào)制”，是按照人類應用的需求（以信，是按照人類應用的需求（以信息的形式出現(xiàn)）對光波進行息的形式出現(xiàn)）對光波進行“調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)”與與“控控制制”，從而將信息加載到光波上去。，從而將信息加載到光波上去。為什么要用光波作為信息載體為什么要用光波作為信息載體？v轉(zhuǎn)播速度快轉(zhuǎn)播速度快,信息容量大信息容量大v可以用光學系統(tǒng)進行變換可以用光學系統(tǒng)進行變換,光盤存儲光盤存儲v可以在透明介質(zhì)中傳輸（光纖、水可以在透明介質(zhì)中傳輸（光纖、水）v可以不用介質(zhì)傳輸（真空、太空可以不用介質(zhì)傳輸（真空、太空）v可獨立傳播，互不干擾?？瑟毩鞑?，互不干擾

2、。加載了信號的光波以群速度傳播。加載了信號的光波以群速度傳播。1.6 激光調(diào)制技術激光調(diào)制技術激光作為信息載體的優(yōu)點：易于調(diào)制、可利易于調(diào)制、可利用的頻帶寬用的頻帶寬 、傳輸信息的容量大、傳輸信息的容量大；調(diào)制及其分類調(diào)制及其分類激光調(diào)制激光調(diào)制將信息加載于激光的過程 ；激光調(diào)制器激光調(diào)制器完成將信息加載于激光過程的裝置；激光激光載波（Carrier），攜帶信息的載體； 起控制作用的信號（低頻信號）起控制作用的信號（低頻信號）調(diào)制信號；被調(diào)制的載波被調(diào)制的載波已調(diào)波或調(diào)制光Modulated wave；1.6.1調(diào)制的基本概念v2.調(diào)制的基本形式調(diào)制的基本形式按著調(diào)制器件和激光器的關系，按著調(diào)

3、制器件和激光器的關系，調(diào)制可以分為調(diào)制可以分為內(nèi)調(diào)制內(nèi)調(diào)制和和外調(diào)制外調(diào)制。內(nèi)調(diào)制內(nèi)調(diào)制： 加載調(diào)制信號是在激光加載調(diào)制信號是在激光振蕩過程中振蕩過程中進行的，即進行的，即以調(diào)制信號來改變激光以調(diào)制信號來改變激光器的某一參數(shù)，從而改器的某一參數(shù)，從而改變激光的輸出特性變激光的輸出特性 0.20.40.60.81.01.21.41.51.00.50.51.01.50.20.40.60.81.01.21.41.51.00.50.51.01.50.20.40.60.81.01.21.41.51.00.50.51.01.50.20.40.60.81.01.21.41.51.00.50.51.01.5改

4、變激光器的泵改變激光器的泵浦強度浦強度改變激光器的腔改變激光器的腔內(nèi)損耗內(nèi)損耗v外調(diào)制外調(diào)制：激光形成之后激光形成之后進行調(diào)制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，會使光波的某個參量發(fā)生變化就會使光波的某參量隨著調(diào)制信號而變化 0.20.40.60.81.01.21.41.51.00.50.51.01.50.20.40.60.81.01.21.41.51.00.50.51.01.5典型的模擬式調(diào)制 單色平面波的表達式為單色平面波的表達式為 通過改變激光載波的特征參量，可以對激光載波進行調(diào)制。1.調(diào)幅調(diào)幅振幅調(diào)制：使載波的振幅隨調(diào)制信號的變化而變化。振

5、幅調(diào)制：使載波的振幅隨調(diào)制信號的變化而變化。2.調(diào)頻調(diào)頻頻率調(diào)制：使載波的頻率隨調(diào)制信號的變化而變化。頻率調(diào)制：使載波的頻率隨調(diào)制信號的變化而變化。3.調(diào)相調(diào)相相位調(diào)制：使載波的相位隨調(diào)制信號的變化而變化。相位調(diào)制：使載波的相位隨調(diào)制信號的變化而變化。4.強度調(diào)制：強度調(diào)制：使載波的光強隨調(diào)制信號的變化而變化使載波的光強隨調(diào)制信號的變化而變化。0 00 0( ( ) )c co os s( () )E E t tA At t 0 00 0( ( ) )c co os s( () )E E t tA At t 設激光的設激光的瞬時電場強度瞬時電場強度為為則則光強度光強度為為設調(diào)制信號為設調(diào)制信號

6、為 幅值幅值調(diào)制為調(diào)制為: 強度強度調(diào)制為調(diào)制為: 頻率頻率調(diào)制為調(diào)制為: 相位相位調(diào)制為調(diào)制為:2 22 22 20 00 0( ( ) )( ( ) )c co os s ( () )I I t tE Et tA At t ( )cos( )cosmmmma tAta tAt 0 00 02 20 00 00 00 00 00 0( ( ) )( (1 1c co os s) )c co os s( () )( ( ) )( (1 1c co os s) )c co os s( () )( ( ) )c co os s( (s si in n) )( ( ) )c co os s( (s

7、si in n) )A Am mi im mf ff fm mP Pp pm mE E t tA AM Mt tt tI It tA AM Mt tt tE E t tA At tM Mt tE E t tA At tM Mt t M,調(diào)幅系數(shù)調(diào)幅系數(shù) ，Mi強度調(diào)制系數(shù)強度調(diào)制系數(shù), Mf調(diào)頻系數(shù)調(diào)頻系數(shù),Mp調(diào)相系數(shù)調(diào)相系數(shù) 其中其中M, Mi遠小于遠小于1 典型的模擬式調(diào)制典型的模擬式調(diào)制一、振幅調(diào)制一、振幅調(diào)制激光光波的振幅隨著調(diào)制信號的變化規(guī)律而變化。激光光波的瞬時電場強度： 00coscosE tAtAt0A為振幅； 為角頻率；為相位角(初相位)； 總相角； 00 t振幅調(diào)制振幅調(diào)

8、制時， 不再是常數(shù)，而是與調(diào)制信號成比例的函數(shù) 。A 000coscosE tA ttAka ttk為比例系數(shù)， 為調(diào)制信號； ta cosmma tAt 為調(diào)制信號的振幅， 為角頻率； mAm載波載波調(diào)制信號調(diào)制信號調(diào)制光調(diào)制光調(diào)幅波的包絡線的形狀和調(diào)制信號一致調(diào)幅波的包絡線的形狀和調(diào)制信號一致；載波頻率維持不變載波頻率維持不變；振幅較之未調(diào)制波多了一個與調(diào)制信號成比例振幅較之未調(diào)制波多了一個與調(diào)制信號成比例的增量。的增量。由圖可知：由圖可知：“調(diào)幅系數(shù)調(diào)幅系數(shù)”調(diào)幅振蕩中振幅最大增量振幅最大增量與振幅平均值之間的比值 。max0maxmin00maxminAAAAAMAAAA01M當當調(diào)制

9、系數(shù)調(diào)制系數(shù)1時，調(diào)制波就要發(fā)生時，調(diào)制波就要發(fā)生畸變畸變；當；當調(diào)制調(diào)制系數(shù)系數(shù)1時，稱為時，稱為100的調(diào)制。的調(diào)制。調(diào)幅的結(jié)果使調(diào)幅波不再是一個簡單的正弦波，根據(jù)傅立葉頻譜分析，它可分解為不同頻率的正弦波之和。由上述討論可知：由上述討論可知：將 記為 ，由于 ，則調(diào)幅波表達式可寫為： mkAA0MA A 000coscosmE tAMAtt二、頻率調(diào)制和相位調(diào)制二、頻率調(diào)制和相位調(diào)制激光載波的頻率頻率或相位相位受調(diào)制信號的控制而按其規(guī)律變化。 這兩種調(diào)制波都表現(xiàn)為總相角的變化，因此統(tǒng)稱為角度調(diào)制角度調(diào)制。 頻率調(diào)制頻率調(diào)制角頻率 不再是常數(shù)，而是一個與調(diào)制信號成比例的時間函數(shù) 00ftt

10、k a t t是由調(diào)制信號決定的頻率偏移。 taktf調(diào)制波的總相角：調(diào)制波的總相角： 00000000ttftftt dtk a tdttk a t dtfk ta為比例系數(shù)；為調(diào)制信號；若調(diào)制信號為正弦變化，正弦變化， cosmma tAt并令并令fmk A /mFM 則則 0sinFmttMt調(diào)頻波的表達式：調(diào)頻波的表達式： 00cossinfmE tAtMtfM調(diào)頻系數(shù)，可取任意值任意值；相位調(diào)制相位調(diào)制調(diào)制波的相位相位多了一個與調(diào)制信號成比例的增量；增量； 總相角：總相角： 00ttk a t若調(diào)制信號為正弦變化，正弦變化， cosmma tAt并令并令mPk AM調(diào)相系數(shù)；PM則有

11、則有調(diào)相波的表達式：調(diào)相波的表達式： 00coscosPmE tAtMt調(diào)頻或調(diào)相波的頻譜調(diào)頻或調(diào)相波的頻譜 可以分解成若干不同頻率的正弦波之和正弦波之和。調(diào)頻和調(diào)相波的統(tǒng)一形式：調(diào)頻和調(diào)相波的統(tǒng)一形式： 00cossinmE tAtmt由以上討論，可得出下述結(jié)論下述結(jié)論 ：在正弦調(diào)制正弦調(diào)制下，調(diào)頻和調(diào)相皆為等幅的變周等幅的變周期振蕩期振蕩，且表達式在形式上相同；兩者的區(qū)別兩者的區(qū)別：a.兩者的調(diào)制方法不同；b.調(diào)頻系數(shù)和調(diào)相系數(shù)的性質(zhì)不同；調(diào)頻：單模激光器調(diào)腔長；調(diào)相：電光晶體調(diào)Q 。（在非正弦調(diào)制非正弦調(diào)制下，兩者不同，此時可以看出調(diào)頻與調(diào)相的差別） ta te角度調(diào)制角度調(diào)制三、強度調(diào)

12、制三、強度調(diào)制光載波電場振幅的平方振幅的平方與調(diào)制信號成比例， 。 taAc2輸出的激光輻射強度激光輻射強度按照調(diào)制信號的規(guī)律變化。 激光調(diào)制通常多采用強度調(diào)制形式強度調(diào)制形式。原因在于原因在于：光接收器光接收器（探測器）一般直接響應其所接收的光強度變化光強度變化。 光載波的強度定義為電場的平方，光載波的強度定義為電場的平方， 22200cosItetAt因此，有調(diào)制光強：因此，有調(diào)制光強： 22001cos2pAI tk a tt為比例系數(shù)；pk若調(diào)制信號為正弦變化，正弦變化， cosmma tAtpmIk AMIM強度調(diào)制系數(shù) 此時有，此時有， 2001coscosImI tAMtt 這是

13、當調(diào)制系數(shù) 時，比較理想的光強調(diào)制公式 。1IM 1.6.2調(diào)制方法 （一）電光調(diào)制（一）電光調(diào)制vKDP晶體的Pockel效應（四）感應主軸的方向v相對于原主軸旋轉(zhuǎn)45o。vKDP晶體變?yōu)殡p軸晶體。331100 632221()znnnEn 調(diào)制方法 電光調(diào)制 （一） 原理電光效應：某些材料在外加電場的作用下，其折射率發(fā)生變化電光效應：某些材料在外加電場的作用下，其折射率發(fā)生變化Xyz光軸偏轉(zhuǎn)光軸偏轉(zhuǎn)45度，度， 主折射率分裂為：主折射率分裂為：線偏振光分裂為兩束線振光，線偏振光分裂為兩束線振光， X，y方向方向 相位差為相位差為 3 30 00 06 63 33 30 00 06 63 3

14、1 12 21 12 2x xz zx xz zn nn nn nE En nn nn nE E 3333063063063063222222()()yxzyxznnnEnVnnnEnV當一束線偏振光沿著當一束線偏振光沿著Z軸方向射入晶體，且軸方向射入晶體，且E矢量沿矢量沿X方向進入晶體方向進入晶體（Z0）即分解為沿 和 方向的兩個垂直偏振分量。 xy1112632026320yEnxEnzz3633631212xoozyoozzennnEnnnEnn當它們經(jīng)過長度當它們經(jīng)過長度L之后之后，所走的光程分別為 和 。lnxlnyzxnEnnllnx633002122zyxnEnnllny6330

15、02122快光快光 慢光慢光 vnELnz6330633022電光相位延遲電光相位延遲電光調(diào)制相位差與所加電壓v成正比，通常稱為線性電光效應或Pockels效應一般把引起相位差的電壓作為電光材料的性能： 稱為半波電壓， V或者V/2表示 3 30 06 63 32 2V VV VV Vn n （二）電光強度調(diào)制（二）電光強度調(diào)制 1. 縱向電光調(diào)制器縱向電光調(diào)制器 縱向電光效應：縱向電光效應：電場方向與通光方向一致；核心部件核心部件光強調(diào)制V VV V 1Kdp 引起相位 2波片： /2 2 2V VV V 2.電光相位延遲電光相位延遲 以以KDPKDP類晶體類晶體Z Z向加壓向加壓，光波沿光

16、波沿Z Z方向傳播方向傳播為例：為例： xyzx起偏起偏xv電光相位調(diào)制電光相位調(diào)制Ein感應主軸感應主軸無檢偏裝置無檢偏裝置偏振狀態(tài)不發(fā)生改變偏振狀態(tài)不發(fā)生改變邊頻振蕩間隔等于外加電壓的頻率邊頻振蕩間隔等于外加電壓的頻率0.51.01.52.01.51.00.50.51.01.50.51.01.52.01.51.00.50.51.01.5三、 聲光調(diào)制Raman-Nath聲光衍射Bragg衍射四、 磁光調(diào)制原理:法拉第旋光效應:線性偏振光經(jīng)過磁性介質(zhì)后,投射光偏振方向會發(fā)生偏轉(zhuǎn)(t)=sLH rfH DCsin t五、電源調(diào)制/直接調(diào)制定義:直接將調(diào)制信號加載于激光電源，從而使激光器發(fā)射的激

17、光強度或激光脈沖參數(shù)隨調(diào)制信號而變化的調(diào)制，稱為電源調(diào)制成直接調(diào)制六、干涉調(diào)制邁克耳遜干涉儀調(diào)制光強半導體激光器半導體激光器的基本結(jié)構(gòu)半導體激光器的基本結(jié)構(gòu)半導體激光器的基本特性半導體激光器的基本特性半導體激光器半導體激光器的基本特性半導體激光器的基本特性半導體激光器半導體激光器的基本特性半導體激光器的基本特性半導體激光器激光技術發(fā)展簡史之一激光技術發(fā)展簡史之一美國休斯公司實驗室一位從事紅寶石熒光研究的年輕人梅曼在1960.5.16利用紅寶石棒首次觀察到激光； 梅曼在7月7日正式演示了世界第一臺紅寶石固態(tài)激光器；他在Nature(8月16日)發(fā)表了一個簡短的通知。Maiman激光技術發(fā)展簡史之

18、一激光技術發(fā)展簡史之一Maiman的第一臺激光器中國第一臺激光器（中國第一臺激光器（19611961）我國激光器研究情況我國激光器研究情況激光器的第一臺 研制成功時間 研 制 人 紅寶石激光器（我國第一臺) 1961年11月鄧錫銘、王之江He-Ne激光器 1963年7月 鄧錫銘等 摻釹玻璃激光器 1963年6月 干福熹 GaAs同質(zhì)結(jié)半導體激光器 1963年12月 王守武 CO2分子激光器 1965年9月 王潤文等激光技術發(fā)展簡史之三激光技術發(fā)展簡史之三激光應用技術信息技術方面的應用：光通訊，光存儲，光放大，光計算，光隔離器檢測技術方面的應用：測長，測距，測速，測角，測三維形狀激光加工：焊接，

19、打孔，切割，熱處理，快速成型醫(yī)學應用：外科手術，激光幅照（皮膚科、婦產(chǎn)科），眼科手術，激光血照儀，視光學測量科學研究方面的應用：激光核聚變，重力場測量，激光光譜，激光對生物組織的作用，激光制冷，激光誘導化學過程等等光盤存儲器原理光盤存儲器原理激光刻蝕與讀激光刻蝕與讀出出激光全息防偽人民幣（建國50周年紀念幣）激光顯示重慶三峽廣場-水幕激光Video激光陀螺儀激光加工與熱處理激光焊接、切割、打標、表面處理和工業(yè)機器人結(jié)合，為未來的制造業(yè)提供先進的、精密的、靈巧的特殊加工工具Video1Video2激光眼科治療激光嫩膚激光脫毛激光去斑激光點痣激光美容激光嫩膚激光去斑激光脫毛激光點痣黃鐘律管累黍造尺

20、激光精密測量從開始有測量的時間起，才開始有科學。沒有量度，精密科學就沒有意義。門捷列夫黃鐘律管累黍造尺米定義的三次變更一、飛行時間法二、真空波長法三、穩(wěn)頻激光器米定義的復現(xiàn)一、飛行時間法二、真空波長法三、穩(wěn)頻激光器飛秒激光的典型應用微納米加工納米牛Ti:S 780nm, 150fs, 76MHz1.4NA 高倍顯微物鏡聚焦SCR500 resin ( JSR, Japan )+ urethane acrylate (尿脘丙烯酸脂）光聚合分辨率 120nm牛尺寸 10m 7mNature, Vol. 412, 697.2001 （ H.B. Sun et al ) )納米彈簧a. 原始狀態(tài)b.

21、伸展狀態(tài)c. 阻尼振蕩恢復曲線功能器件匈牙利科學院Peter Galajda ，A.P.L, vol.78, 2001飛秒高速攝影光源：飛秒激光時間分辨率：163ns重復頻率：6.1MHz快門速度：440ps激光核聚變可控核聚變磁約束核聚變慣性約束核聚變托卡馬克激光核聚變粒子束核聚變電流脈沖核聚變激光核聚變的四個階段激光武器直接利用高度集中的激光能量對敵人和敵人的武器進行殺傷、破壞的武器。特點：1）不需計算彈導，“指哪打哪”。2）不需計算提前量，“說時遲，那時快”。特別適合攻擊高速運動的目標。3）無后座之擾；4）不受電子干擾。Laser局限：受天氣影響，云霧、雨雪都有是激光難以逾越的障礙。聚焦、光學激光束跟蹤系統(tǒng)高能激光束目標探測器升降機發(fā)散角0.01毫弧度，跟蹤精度1發(fā)射望遠鏡直徑1m。安裝在15米高的望遠鏡上。激光排氣 / 熱 激光器激光燃料箱據(jù)稱可破壞 10 公里外的低空直升飛機的蒙皮和 20公里遠的紅外制導導彈和光學傳感器前西德 高能激光防空坦克激光控制核聚變激光控制核聚變天文臺（激光導航星）來自納層來自納層的反射光的反射光（高度約（高度約100km)100km)最大高