激光原理：第七章第三節(jié) 調(diào)制與偏轉(zhuǎn)技術

本科生《激光原理》課程

第七章

激光特性的控制與改善常用的激光技術

第一節(jié)

模式選擇技術

第二節(jié)

穩(wěn)頻技術

第三節(jié)

激光調(diào)制與偏轉(zhuǎn)

第四節(jié)

激光放大技術

第五節(jié)

調(diào)Q技術

第六節(jié)

鎖模技術

第三節(jié)激光調(diào)制與偏轉(zhuǎn)激光調(diào)制的基本概念激光調(diào)制的分類激光調(diào)制的基本原理常見的激光調(diào)制技術電光調(diào)制聲光調(diào)制磁光調(diào)制半導體激光器直接調(diào)制激光偏轉(zhuǎn)技術振幅調(diào)制頻率調(diào)制和相位調(diào)制強度調(diào)制脈沖調(diào)制第三節(jié)激光的調(diào)制與偏轉(zhuǎn)技術1調(diào)制的基本概念激光具有振幅、頻率、相位、強度等參量，如使其中某一參量按調(diào)制信號的規(guī)律變化，達到運載信息的目的。將信息加載的過程稱為調(diào)制。完成這一過程的裝置稱為調(diào)制器。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。解調(diào)：調(diào)制的反過程，即把調(diào)制信號還原成原來的信息。激光光波的電場強度是：其中Ac為振幅；wc為角頻率，fc為相位角。激光調(diào)制示意圖2.1根據(jù)調(diào)制器和激光器的相對關系劃分

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。2調(diào)制的分類第三節(jié)激光的調(diào)制與偏轉(zhuǎn)技術外調(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。2.2按工作原理劃分

分為電光調(diào)制、聲光調(diào)制、磁光調(diào)制、和直接調(diào)制（電源調(diào)制）2.3按調(diào)制的性質(zhì)劃分分為調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相及強度調(diào)制等。3激光調(diào)制的基本原理3.1振幅調(diào)制如果調(diào)制信號是一個時間的余弦函數(shù)，即：其中Am

和ωm

分別是調(diào)制信號的振幅和角頻率，當進行激光振幅調(diào)制之后，激光振幅Ac

不再是常量，而是與調(diào)制信號成正比。第三節(jié)激光調(diào)制與偏轉(zhuǎn)技術其調(diào)幅波的表達式為：利用三角公式：得：其中：稱為調(diào)制系數(shù)，第一項是載頻分量，第二、三項為邊頻分量。調(diào)幅波頻譜對于調(diào)頻而言，就是中的角頻率ωc不再是常數(shù)，而是隨調(diào)制信號而變化，即：

若調(diào)制信號仍是一個余弦函數(shù)，則調(diào)頻波的總相角為：

其中

稱為調(diào)頻系數(shù)，kf

稱為比例系數(shù)。第三節(jié)激光調(diào)制與偏轉(zhuǎn)技術3激光調(diào)制的基本原理3.2頻率調(diào)制和相位調(diào)制將式中兩項按貝塞爾函數(shù)展開：則調(diào)制波的表達式為：

同樣，相位調(diào)制就是相位角不再是常數(shù)，而是隨調(diào)制信號的變化規(guī)律而變化，調(diào)相波的總相角為：式中，稱為調(diào)相系數(shù)。則調(diào)相波的表達式為：調(diào)頻和調(diào)相波的頻譜：

由于調(diào)頻和調(diào)相實質(zhì)上最終都是調(diào)制總相角，因此可寫成統(tǒng)一的形式利用三角公式展開，得：第三節(jié)激光調(diào)制與偏轉(zhuǎn)技術調(diào)制系數(shù)m已知，就可得各階貝塞爾函數(shù)的值。0.770.440.110.02將以上兩式代入利用三角函數(shù)關系式：可得：第三節(jié)激光調(diào)制與偏轉(zhuǎn)技術可見，在單頻正弦波調(diào)制時，其角度調(diào)制波的頻譜是由光載頻與在它兩邊對稱分布的無窮多對邊頻所組成的。各邊頻之間的頻率間隔是，各邊頻幅度的大小由貝塞爾函數(shù)決定。角度調(diào)制波的頻譜顯然,若調(diào)制信號不是單頻正弦波,則其頻譜將更加復雜。另外，當角度調(diào)制系數(shù)較?。磎<<1）時，其頻譜與調(diào)幅波有著相同的形式。m=1

強度調(diào)制是光載波的強度(光強)隨調(diào)制信號規(guī)律而變化的激光振蕩。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):則強度調(diào)制的光強表達式可寫為:式中，為比例系數(shù)。設調(diào)制信號是單頻余弦波將其代入上式,并定義為強度調(diào)制系數(shù)第三節(jié)激光調(diào)制與偏轉(zhuǎn)技術3激光調(diào)制的基本原理3.3強度調(diào)制強度調(diào)制波的頻譜可用前面所述類似的方法求得，但其結(jié)果與調(diào)幅波的頻譜略有不同，其頻譜分布除了載頻及對稱分布的兩邊頻之外，還有低頻和直流分量。強度調(diào)制第三節(jié)激光調(diào)制與偏轉(zhuǎn)技術

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，然后再用這已調(diào)電脈沖序列對光載波進行強度調(diào)制，就可以得到相應變化的光脈沖序列。第三節(jié)激光調(diào)制與偏轉(zhuǎn)技術3激光調(diào)制的基本原理3.4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。周期脈沖序列載波脈沖調(diào)制形式(a)調(diào)制信號(b)脈沖幅度調(diào)制(c)脈沖寬度調(diào)制(d)脈沖頻率調(diào)制(e)脈沖位置調(diào)制第三節(jié)激光調(diào)制與偏轉(zhuǎn)技術周期脈沖序列載波

光波在介質(zhì)中的傳播規(guī)律受到介質(zhì)折射率分布的制約，而折射率的分布又與其介電常量（電容率）密切相關。晶體折射率可用施加電場E的冪級數(shù)表示，即或?qū)懗捎梢淮雾棪肊引起的折射率變化，稱為線性電光效應或泡克耳斯(Pockels)效應；由二次項bE2引起的折射率變化，稱為二次電光效應或克爾(Kerr)效應。第三節(jié)激光調(diào)制與偏轉(zhuǎn)技術4常見的調(diào)制技術4.1電光調(diào)制式中4.1.1電致折射率變化

在晶體未加外電場時，主軸坐標系中，折射率橢球由如下方程描述：式中x，y，z為介質(zhì)的主軸方向；nx，ny，nz為折射率橢球的主折射率。當晶體施加電場后，其折射率橢球就發(fā)生“變形”，橢球方程變?yōu)槿缦滦问剑涸谕怆妶鲎饔孟?，折射率橢球系數(shù)隨之發(fā)生線性變化，其變化量定義為式中γij稱為線性電光系數(shù)；i=1,…,6；j取值1,2,3。第三節(jié)激光調(diào)制與偏轉(zhuǎn)技術

式中，是電場沿x,y,z方向的分量。具有元素的6x3矩陣稱為電光張量，每個元素的值由具體的晶體決定，它是表征感應極化強弱的量。用矩陣形式表式為：得到晶體加外電場E

后的新折射率橢球方程式:為了簡單起見,將外加電場的方向平行于軸z，即Ez=E，Ex=Ey=0，于是：第三節(jié)激光調(diào)制與偏轉(zhuǎn)技術其中，所以有KDP類晶體屬于四方晶系，是負單軸晶體，有：nx=ny=n0，nz=ne，且n0>ne。其電光張量為:為了尋求一個新的坐標系(x’,y’,z’)，使橢球方程不含交叉項，即具有如下形式：其中x’,y’,z’

為加電場后橢球主軸的方向，稱為感應主軸；是新坐標系中的主折射率，由于x和y是對稱的,故可將x坐標和y坐標繞z軸旋轉(zhuǎn)α角，于是從舊坐標系到新坐標系的變換關系為：αxyx’y’第三節(jié)激光調(diào)制與偏轉(zhuǎn)技術令交叉項為零，即

則方程式變?yōu)槠錂E球主軸的半長度由下式?jīng)Q定：yx'y'450x加電場后的橢球的形變第三節(jié)激光調(diào)制與偏轉(zhuǎn)技術4.1電光調(diào)制4.1.2電光強度調(diào)制縱向電光調(diào)制（通光方向與電場方向一致）縱向電光調(diào)制的典型第三節(jié)激光調(diào)制與偏轉(zhuǎn)技術因此沿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，其振幅(等于入射光振幅的1/)和相位都相等。分別為：由于光強正比于電場的平方，因此，入射光強度為光通過長度為L的晶體后，Ex’和Ey’二分量間就產(chǎn)生了一個相位差，則

則通過檢偏器后的總電場強度是Ex’(L)和Ey’(L)在y方向的投影之和，即與之相應的輸出光強為：yY’xX’45o45o將出射光強與入射光強相比得：

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。第三節(jié)激光調(diào)制與偏轉(zhuǎn)技術△

m=Vm/V

是相應于外加調(diào)制信號最大電壓vm的相位延遲。其中Vmsinωmt是外加調(diào)制信號電壓。于是，總相位差則調(diào)制的透過率可表示為利用貝塞爾函數(shù)恒等式將上式展開，得由此可見，輸出的調(diào)制光中含有高次詣波分量，使調(diào)制光發(fā)生畸變。為了獲得線性調(diào)制，必須將高次諧波控制在允許的范圍內(nèi)。第三節(jié)激光調(diào)制與偏轉(zhuǎn)技術計算表明，若取則三次諧波光強為基波的5%因此取作為線性調(diào)制的判據(jù)

縱向電光調(diào)制器具有結(jié)構簡單、工作穩(wěn)定、不存在自然雙折射的影響等優(yōu)點。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。第三節(jié)激光調(diào)制與偏轉(zhuǎn)技術強度調(diào)制器小結(jié)：入射光分解為感應主軸方向的兩個傳播模；找出相位延遲和外加電壓（電場）的關系；加入檢偏器得到輸出光強隨外加電壓變化，實現(xiàn)強度調(diào)制；加入1/4波片提供固定“偏置”，以得到線性調(diào)制。外電場不改變出射光的偏振狀態(tài)，僅改變其相位，相位的變化為這里第三節(jié)激光調(diào)制與偏轉(zhuǎn)技術4.1電光調(diào)制4.1.2電光相位調(diào)制入射光出射光偏振器載波電光晶體相位調(diào)制波電光相位調(diào)制原理光波只沿x’方向偏振，相應的折射率為：。若外加電場是，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，則上式可寫成

式中稱為相位調(diào)制系數(shù)。渡越時間：激光通過長度為L的晶體所需時間。第三節(jié)激光調(diào)制與偏轉(zhuǎn)技術4.1電光調(diào)制4.1.3電光調(diào)制器的電學性能外電路對調(diào)制帶寬的限制調(diào)制信號頻率高時大部分電壓降在電源內(nèi)阻上，致使晶體無法工作。若要調(diào)制信號在較高頻狀況下工作時（實現(xiàn)阻抗匹配必須在晶體兩端并聯(lián)一電感和分流電阻）其頻帶寬度就要受到約束：當調(diào)制頻率與諧振頻率相同時電壓全降在晶體上。ViV電光調(diào)制器的等效電路電光調(diào)制器的并聯(lián)諧振電路調(diào)制帶寬：調(diào)制信號占據(jù)的頻帶的寬度。在行波聲場作用下，介質(zhì)折射率的增大或減小交替變化，并以聲速

s(一般為103m／s量級)向前推進。由于聲速僅為光速(108m)的數(shù)十萬分之—，所以對光波來說，運動的“聲光柵”可以看作是靜止的。設聲波的角頻率為

s，波矢為ks

（＝2/s)，則聲波的方程為：聲波在介質(zhì)中傳播分為行波和駐波兩種形式。nvsxn0

n

s超聲行波在介質(zhì)中的傳播第三節(jié)激光調(diào)制與偏轉(zhuǎn)技術4.2.1聲光調(diào)制的物理基礎4常見的調(diào)制技術4.2聲光調(diào)制a為介質(zhì)質(zhì)點的瞬時位移，A為質(zhì)點位移的幅度?；蛘邔懗桑哼@里n=-ksA，則行波時的折射率：

聲駐波是由波長、振幅和相位相同，傳播方向相反的兩束聲波疊加而成的。其聲駐波方程為此處，式中S為超聲波引起介質(zhì)產(chǎn)生的應變，P為材料的彈光系數(shù)。第三節(jié)激光調(diào)制與偏轉(zhuǎn)技術可近似地認為，介質(zhì)折射率的變化正比于介質(zhì)質(zhì)點沿x方向位移的變化率，即

sxa超聲駐波由于聲駐波的波腹和波節(jié)在介質(zhì)中的位置是固定的，因此它形成的光柵在空間也是固定的。聲駐波形成的折射率變化：

s

L入射光xy聲波陣面聲波光波陣面拉曼-納斯衍射圖衍射光第三節(jié)激光調(diào)制與偏轉(zhuǎn)技術4常見的調(diào)制技術4.2聲光調(diào)制4.2.2聲光相互作用的兩種類型1拉曼-納斯衍射2布拉格（Bragg)衍射布拉格衍射圖二者區(qū)分由聲光介質(zhì)、電—聲換能器、吸聲(或反射)裝置及驅(qū)動電源等所組成。聲光調(diào)制器結(jié)構吸聲裝置LaserinLaserout第三節(jié)激光調(diào)制與偏轉(zhuǎn)技術4常見的調(diào)制技術4.2聲光調(diào)制4.2.3聲光調(diào)制器

磁光效應是磁光調(diào)制的物理基礎。磁光效應包括法拉第旋轉(zhuǎn)效應、克爾效應、磁雙折射效應等。其中最主要的是法拉第旋轉(zhuǎn)效應，它使一束線偏振光在外加磁場作用下的介質(zhì)中傳播時，其偏振方向發(fā)生旋轉(zhuǎn)，其旋轉(zhuǎn)角度

的大小與沿光束方向的磁場強H和光在介質(zhì)中傳播的長度L之積成正比，即

＝VHL式中，V稱為韋爾代(verdet)常數(shù)，它表示在單位磁場強度下線偏振光通過單位長度的磁光介質(zhì)后偏振方向旋轉(zhuǎn)的角度。下表列出了一些磁光材料的韋爾代常數(shù)。第三節(jié)激光調(diào)制與偏轉(zhuǎn)技術4常見的調(diào)制技術4.3磁光調(diào)制4.3.1磁光調(diào)制的物理基礎旋光現(xiàn)象可解釋為外加磁場使介質(zhì)分子的磁矩定向排列，當一束線偏振光通過它時，分解為兩個頻率相同、初相位相同的兩個圓偏振光，其中一個圓偏振光的電矢量是順時針方向旋轉(zhuǎn)(右旋圓偏振光)，另一個圓偏振光逆時針方向旋轉(zhuǎn)(左旋圓偏振光)。兩個圓偏振光無相互作用，速度分別為v+＝c/nR和v-＝c/nL傳播，通過厚為L的介質(zhì)之后產(chǎn)生的相位延遲分別為:所以兩圓偏振光間存在一相位差第三節(jié)激光調(diào)制與偏轉(zhuǎn)技術ALARAL’

zAA’當它們通過介質(zhì)之后，又合成為一線偏振光，其偏振方向相對于入射光旋轉(zhuǎn)了一個角度。圖中zA表示入射介質(zhì)的線偏振光的振動方向，將振幅A分解為左旋和右旋兩矢量AL和AR

，假設介質(zhì)的長度L使右旋矢量AR剛轉(zhuǎn)回到原來的位置，此時左旋光矢量(由于vL≠vR

)轉(zhuǎn)到A’L，于是合成的線偏振光A’相對于入射光的偏振方向轉(zhuǎn)了一個角度

，此值等于

角的一半，即

=/2＝（nR–nL）L/可以看出，A’的偏振方向?qū)㈦S著光波的傳播向右旋轉(zhuǎn)。這稱為右旋光效應。

磁光調(diào)制是把欲傳遞的信息轉(zhuǎn)換成光載波的強度(振幅)等參量隨時間的變化。

磁光調(diào)制是電信號先轉(zhuǎn)換成與之對應的交變磁場，由磁光效應改變在介質(zhì)中傳輸?shù)墓獠ǖ钠駪B(tài)，從而達到改變光強度等參量的目的。

工作物質(zhì)放在沿軸方向z的光路上，它的兩端放置有起、檢偏器，高頻螺旋形線圈環(huán)繞在YIG棒上，受驅(qū)動電源的控制，用以提高平行于z軸的信號磁場。第三節(jié)激光調(diào)制與偏轉(zhuǎn)技術4常見的調(diào)制技術4.3磁光調(diào)制4.3.2磁光調(diào)制器調(diào)制電流恒定磁場（偏置）調(diào)制磁場探測磁光調(diào)制器結(jié)構示意但這里因加有恒定磁場Hdc

，且與通光方向垂直，故旋轉(zhuǎn)角與Hdc成反比，于是式中θs

單位長度飽和法拉弟旋轉(zhuǎn)角；H0sinωHt是調(diào)制磁場。如果再通過檢偏，就可以獲得一定強度變化的調(diào)制光。第三節(jié)激光調(diào)制與偏轉(zhuǎn)技術4常見的調(diào)制技術4.4半導體激光器直接調(diào)制4.4.1直接調(diào)制直接調(diào)制是把要傳遞的信息轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏餍盘栕⑷氚雽w光源(激光二極管LD或半導體二極管LED)，從而獲得已調(diào)制信號。半導體激光器輸出特性由于它是在光源內(nèi)部進行的，因此又稱為內(nèi)調(diào)制，它是目前光纖通信系統(tǒng)普遍使用的實用化調(diào)制方法。根據(jù)調(diào)制信號的類型，直接調(diào)制又可以分為（連續(xù)的）模擬調(diào)制和數(shù)字（脈沖編碼）調(diào)制兩種。半導體激光器調(diào)制（a)電原理圖（b)調(diào)制特性曲線第三節(jié)激光調(diào)制與偏轉(zhuǎn)技術4常見的調(diào)制技術4.4半導體激光器直接調(diào)制4.4.2半導體激光器(LD)直接調(diào)制的原理第三節(jié)激光調(diào)制與偏轉(zhuǎn)技術附件：鈮酸鋰（LiNbO3）電光調(diào)制器1.鈮酸鋰（LiNbO3）晶體中的電光效應

當光波傳播方向平行于光軸z方向時，得到求相應偏振方向光波的折射率大小的橢圓方程為第三節(jié)激光調(diào)制與偏轉(zhuǎn)技術利用級數(shù)展開同理設晶體通光方向長度為L，加電場方向的厚度為d，則二偏振光產(chǎn)生的光程差為第三節(jié)激光調(diào)制與偏轉(zhuǎn)技術相應的位相差為求出這種運用方式的半波電壓起偏器P1的偏振方向與晶體的x軸平行（或正交），x方向加電場，光波矢平行于z方向。設入射光波經(jīng)過起偏器后到達晶體入射表面時，電振動矢量為（令初位相為0）2.鈮酸鋰（LiNbO3）電光調(diào)制器第三節(jié)激光調(diào)制與偏轉(zhuǎn)技術入射光強度正比于振幅平方，即此電振動矢量進入晶體后，分解為沿x’、y’方向偏振的兩個振幅相等、位相相同的分量光從晶體出射時，這兩個偏振分量有一個附加位相差，出射光的電振動分量為第三節(jié)激光調(diào)制與偏轉(zhuǎn)技術經(jīng)檢偏器輸出為第三節(jié)激光調(diào)制與偏轉(zhuǎn)技術第三節(jié)激光調(diào)制與偏轉(zhuǎn)技術第三節(jié)激光調(diào)制與偏轉(zhuǎn)技術激光偏轉(zhuǎn)技術就是使激光束相對于原始位置作一定規(guī)律的偏轉(zhuǎn)掃描根據(jù)使用目的不同分兩類：模擬式偏轉(zhuǎn)—主要用于激光顯示技術數(shù)字式偏轉(zhuǎn)—主要用于光存儲設計或評價一個光偏轉(zhuǎn)器的主要指標：（1）偏轉(zhuǎn)角的大小要達到激光掃描的范圍（2）掃描速度要滿足快速記錄和顯示的要求（3）偏轉(zhuǎn)效率：偏轉(zhuǎn)光強與入射光強之比，反映光偏轉(zhuǎn)器的光能損失（4）分辨率或在掃描范圍內(nèi)可分辨的點數(shù)（是光束的發(fā)散角）5激光偏轉(zhuǎn)技術5.1概述優(yōu)點：光譜范圍寬，掃描角度大，通?？纱笥?00，可分辨象素多，光學損失小等

5激光偏轉(zhuǎn)技術5.2機械偏轉(zhuǎn)一種典型的機械偏轉(zhuǎn)方法——旋轉(zhuǎn)多面反射鏡鼓缺點：受電機轉(zhuǎn)速的限制，掃描速度較低，精度也較低。5激光偏轉(zhuǎn)技術5.2電光偏轉(zhuǎn)5.2.1掃描偏轉(zhuǎn)一平面波垂直入射到xz平面,則最下面的光束B穿過晶體底部的時間為最上面的光束A穿過晶體的時間為光線A比光線B落后距離:光束偏離原方向的偏轉(zhuǎn)角:光束由晶體射向空氣時,可得到電光光束偏轉(zhuǎn)角ABXYLh?yθ’θ晶體長度為L,高度為h,其折射率隨x線性增加第三節(jié)激光調(diào)制與偏轉(zhuǎn)技術