第三章-光束的控制分解.ppt

1、第三章 光束的控制,光束的控制，就是用信息信號(hào)對(duì)激光輻射進(jìn)行作用。 分類： 根據(jù)調(diào)制的參量：振幅調(diào)制；頻率調(diào)制；相位調(diào)制；光偏轉(zhuǎn) 根據(jù)位置：腔內(nèi)調(diào)制；腔外調(diào)制,3.1 改變激勵(lì)電流的內(nèi)調(diào)制,電燈泡等熱發(fā)光器件，熱變化慢，調(diào)制頻率低 激光器的調(diào)制頻率與能級(jí)壽命有關(guān) Ar+激光4GHz；He-Ne激光1MHz；CO2激光幾KHz；Nd:YAG激光幾KHz 半導(dǎo)體激光和發(fā)光二極管調(diào)制頻率取決于載流子壽命。電流越高，壽命越短，頻率越高 微波+直流46GHz 脈沖編碼 脈沖位置調(diào)制PPM 脈沖寬度調(diào)制PWM,3.2 改變激光諧振腔參量的內(nèi)調(diào)制,原理：1.改變光學(xué)介質(zhì)的折射率 電光；聲光；磁光 2.改變諧

2、振腔的Q值：調(diào)Q技術(shù) 3.使各縱模相干疊加：鎖模技術(shù),3.2.1 激光的腔內(nèi)電光調(diào)制,電光效應(yīng)：某些晶體在外加電場(chǎng)的作用下，折射率發(fā)生變化的一種現(xiàn)象,介質(zhì)在平行于外加電場(chǎng)方向上產(chǎn)生一附加主軸，使入射光產(chǎn)生o光和e光兩分量，其折射率不同，傳輸速度不同，形成光程差nl，感生相移2/ nl, 正比于V2，克爾效應(yīng)； 正比于V，普克爾效應(yīng),克爾Kerr效應(yīng),光軸：光沿這個(gè)方向傳播時(shí)，折射率與偏振無關(guān),晶體的雙折射： (平面偏振)光束入射到晶體內(nèi)，分解為:(a)尋常光(o光，平行于光軸)； (b)非常光(e光，垂直于光軸) 正晶體none none vo ve產(chǎn)生光程差nl 相移 偏振態(tài)改變,克爾效應(yīng)：

3、外加電場(chǎng) 附加主軸 o光和e光產(chǎn)生光程差L =nl=JlV2/d2 J:克爾系數(shù)。硝基苯的克爾系數(shù)大。,普克爾Pokels效應(yīng),普克爾效應(yīng)是線性電光效應(yīng): V 橫向普克爾效應(yīng)E k,縱向普克爾效應(yīng)E k,普克爾電光效應(yīng),用折射率橢球可以描述各向異性晶體的光的傳播特性,單軸晶體中,OP傳輸光，作一垂直于OP的面，截得一橢圓，其長(zhǎng)短軸大小分別表示兩個(gè)偏振向的折射率,對(duì)晶體加電壓后，折射率橢球的形狀、大小、方位均發(fā)生變化。,普克爾電光效應(yīng),KDP(KH2PO4)晶體外加電壓,Z向加電壓，E=Ez0,Ex=Ey=0,變換后,新的橢球在x-y平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)45 ，電感應(yīng)主軸x ，y ,普克爾電光效應(yīng),z軸方

4、向射到晶體上的光是x(或y) 線偏振光 未加電壓時(shí)，晶體對(duì)各個(gè)方向振動(dòng)沿z軸傳輸?shù)墓獾恼凵渎识枷嗤閚o），因而光通過晶體后不改變偏振態(tài) z軸方向加電壓后，折射率橢球變形，感應(yīng)主軸方向x和y方向轉(zhuǎn)了45，且感應(yīng)主折射率變?yōu)閚x和ny，x（或y）偏振光就分解為x和y方向二個(gè)偏振分量，射出晶體時(shí)兩者就有位相差,（3.2.3）式。偏振方向發(fā)生改變。橫向加電壓類似,激光的腔內(nèi)電光調(diào)制,具有一定位相差的互相垂直的兩個(gè)線偏振光，合成后偏振態(tài)取決于。一般為橢圓偏振光。=/2時(shí)，變?yōu)閳A偏振光。=時(shí)，仍是線偏振光，但偏振方向旋轉(zhuǎn)了90。所加的電壓稱為半波電壓，用V或V/2 表示,激光腔內(nèi)放置普克耳盒，外加電壓

5、使偏振發(fā)生偏轉(zhuǎn)，調(diào)制光通過布氏窗反射出去,3.2.2 Q調(diào)制,調(diào)Q原理 Q值定義：P34,泵浦時(shí)：Q值很低，振蕩閾值很高，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，但沒有激光振蕩輸出 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)達(dá)到峰值，Q值突然增加，振蕩閾值急降，振蕩場(chǎng)迅速增長(zhǎng)，輸出巨脈沖(ns)。,脈沖泵浦下的調(diào)Q過程,Q調(diào)制,Q開關(guān)：快門 實(shí)現(xiàn)Q開關(guān)作用兩個(gè)重要條件 泵浦速率快于上能級(jí)的自發(fā)躍遷速率 Q開關(guān)動(dòng)作快。10ns 調(diào)Q技術(shù) 電光調(diào)Q：克爾效應(yīng)，普克爾效應(yīng) 染料調(diào)Q 可飽和吸收 聲光調(diào)Q 轉(zhuǎn)鏡調(diào)Q,電光Q調(diào)制,電光Q開關(guān)：克爾盒或普克爾盒加電場(chǎng) 晶體上加電壓，偏振片產(chǎn)生的線偏振光入射，后變成圓偏振，經(jīng)反射鏡后再經(jīng)過晶體，再旋轉(zhuǎn)成為線偏振，但偏

6、振方向差90 ，不能通過偏振片，這時(shí)是低Q狀態(tài)，高閾值，激光不能振蕩。電壓為0時(shí)，高Q低損低閾值,3.2.2 鎖模,多縱模運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，各縱模振幅和相位相差很大 鎖模(鎖相)：鎖定各縱模相位?？色@得一系列脈沖輸出(ps,fs)。 超短脈沖可研究基本物理問題,1. 鎖模原理,假設(shè)(2N+1)個(gè)縱模，振幅E0相同，位相鎖定如下：,光波總電場(chǎng),其中,鎖模原理,2N+1個(gè)模式經(jīng)過鎖定以后，總的光波場(chǎng)變?yōu)轭l率為v0 的單色調(diào)幅波，振幅A(t)即總光波場(chǎng)受到振幅調(diào)制 振幅A(t) 是隨時(shí)間變化的周期函數(shù)，光強(qiáng)A(t)2 ，也是時(shí)間的函數(shù),光強(qiáng)受到調(diào)制。分母為0時(shí)，振幅得到極大值。兩個(gè)相繼脈沖時(shí)間間隔,此時(shí)振幅(

7、2N+1) E0，峰值功率較高，正比于(2N+1)2 E0 2 ，一般非均勻加寬激光器，各模式相位隨機(jī)，功率正比于(2N+1) E0 2,=1 /，非均勻加寬帶寬越大，譜線越窄,2.鎖模方法,鎖模激光器可理解為腔內(nèi)往返傳輸?shù)囊粋€(gè)光脈沖，也可理解為聚集在一起的光子包束在反射鏡之間來回反射 主動(dòng)鎖模 腔內(nèi)加一受外加信號(hào)驅(qū)動(dòng)的主動(dòng)調(diào)制器，產(chǎn)生頻率為q并隨時(shí)間按正弦變化的損耗。,2.鎖模方法,被動(dòng)鎖模 腔內(nèi)加一可飽和吸收染料。漂白,主動(dòng)鎖模穩(wěn)定性和重復(fù)性好，波長(zhǎng)范圍寬，脈寬寬；被動(dòng)鎖模穩(wěn)定性和重復(fù)性差，波長(zhǎng)范圍窄，脈寬窄。 可采用主動(dòng)鎖模和被動(dòng)鎖模相結(jié)合的技術(shù)。,3.3用電光晶體的外調(diào)制,3.3.1

8、電光振幅調(diào)制,起偏器偏振x方向，檢偏器偏振y方向，z=0處，x方向上光頻信號(hào)分解x ,y方向,檢偏器偏振y方向輸出是ex (L)和ey (L)在y向的分量之和,3.3.1 電光振幅調(diào)制,輸出光強(qiáng),光強(qiáng)透過率,z=0處，x方向上光頻信號(hào)分解在x ,y方向,晶體的入射光強(qiáng)Iiee*=2A2,設(shè)ex (0)=ey (0)=A,z=L處 設(shè)ex(L)=A, ey(L)=Ae-i,相移,TV曲線中，在V /2或V/4處有一近似線性區(qū)。需要加/2偏置，a.加直流電壓。b.插入/4波片,=的外加電壓稱半波電壓，V 或V/2,則,于是,調(diào)制信號(hào)Vmsinmt m=Vm/V則,3.3.1 電光振幅調(diào)制,其中m1

9、，輸出光強(qiáng)的變化與調(diào)制信號(hào)成近似線性關(guān)系。,簡(jiǎn)化,3.3.2 電光相位調(diào)制,起偏器x(或y)方向,z=0 入射光信號(hào),偏置電場(chǎng),Z=L 出射光信號(hào),略去相角常數(shù)項(xiàng),調(diào)相指數(shù),3.3.2 電光相位調(diào)制,光信號(hào)p相位受到的調(diào)制，實(shí)質(zhì)也是頻率調(diào)制。經(jīng)電光調(diào)制后，出射光頻信號(hào)除原有的頻率光之外，還有 m, 2m等邊頻光。,3.4 聲光效應(yīng)的外調(diào)制,聲光效 應(yīng)：超聲波在聲光介質(zhì)中傳播時(shí)引起介質(zhì)密度交替的變化，折射率也會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化，產(chǎn)生相位光柵。光波通過時(shí)就會(huì)被介質(zhì)中的彈性波所衍射。 聲波在介質(zhì)中形成行波駐波 聲光調(diào)制的兩種基本途徑 喇曼-奈斯衍射 布拉格衍射,喇曼-奈斯衍射,光束平行于聲波波面入射，0

10、，1級(jí)衍射出射，由光闌+透鏡，再組合成一平面波面 改變聲頻改變衍射角改變1級(jí)衍射光強(qiáng)弱，達(dá)到調(diào)制的目的,布拉格衍射,聲波波長(zhǎng)s，速度vs；光波波長(zhǎng)，入射角i 同一面上兩條光線衍射,只能m=0, i = r,布拉格衍射,相鄰波平面反射光衍射,B = i = r,B較小，衍射效率高，可以全部以1級(jí)衍射出射,聲光柵運(yùn)動(dòng)，衍射光產(chǎn)生多普勒頻移,3.4 聲光效應(yīng)的外調(diào)制,聲光調(diào)制器,其中P為光彈性系數(shù)，S為聲應(yīng)變振幅,為工作液體密度，Is為聲強(qiáng)度,聲光調(diào)制曲線與電光調(diào)制相同,3.5 光束的偏轉(zhuǎn) 電光偏轉(zhuǎn),折射率分布,A、B兩條光線傳輸產(chǎn)生光程差,晶體內(nèi)輸出面上偏轉(zhuǎn)角,折射定律,r1得,電光偏轉(zhuǎn),電光偏轉(zhuǎn)器,雙KDP楔形棱鏡偏轉(zhuǎn)器，兩z軸方向相反，外