激光调制技术

of9LaserbeamModulationTechnology11.调制的概念全反射镜部分反射镜泵浦源输出激光光学谐振腔实现粒子数反转满足阈值条件和谐振条件自1960年第一台红宝石激光器诞生以来，激光以其高光子简并度的特性而备受关注。of9LaserbeamModulationTechnology11.调制的概念自1960年第一台红宝石激光器诞生以来，激光以其高光子简并度的特性而备受关注。为研究出真正具有实用价值的激光器，需不断改进其性能，提高效率和功率、压缩脉冲宽度、改变输出频率。为此，发明了激光调制技术、传输技术、调Q技术、锁模技术、选模技术、稳频技术、频率变换技术等。of9LaserbeamModulationTechnology21.调制的概念激光的调制，即把信息加载到信息载体光子的过程激光的解调：把光子信息恢复到原来的信息的过程激光调制的分类：根据调制器和激光器的关系：内调制、外调制电信号激光器输出调制光内调制激光器调制器输出调制光外调制连续光信号电信号of9LaserbeamModulationTechnology31.调制的概念按调制性质：调幅、调频、调相、强度调制光波电场的强度公式：𝐸𝑡=𝐴𝑐cos𝜔𝑐𝑡+𝜑𝑐按调制器的工作原理：电光调制、声光调制、磁光调制、直接调制of9LaserbeamModulationTechnology（一）物理基础42.电光调制电光效应，即在外加电场作用下，晶体折射率变化引起的传输特性变化的过程，此折射率变化包括双折射双折射：入射光通过各向异性晶体分解为o光与e光的现象O光：寻常光，遵循折射规律e光：非寻常光，不遵循折射规律光轴：光沿光轴方向传播不产生双折射晶体折射率可用电场E的幂级数表示，即∆𝑛=𝑛−𝑛0=𝛾𝐸+ℎ𝐸2+⋯一次项γE：线性电光效应、Pockels效应二次项hE2：二次电光效应、Kerr效应图2.1双折射原理图of9LaserbeamModulationTechnology（一）物理基础42.电光调制1.电致折射率变化对电光效应的分析和描述一般采用折射率椭球体方法当晶体未加外电场时，折射率椭球描述为：x2n2x+y2n2y+z2n2z=1式中，x，y，z为介质的主轴方向；n为各轴的主折射率。当晶体施加外电场后，其折射率椭球发生“变形”：1n21x2+1n22y2+1n23z2+21n24yz+21n25xz+21n25xy=1yx'y'450x图2.2折射率椭球“变形”of9LaserbeamModulationTechnology（一）物理基础42.电光调制比较两式可知，由于外电场作用，折射率椭球各系数1/n2随之发生线性变化，其变化量可定义为∆1n2i=γijEj3j=1；其中γij称为线性光电系数1.电致折射率变化x2n2x+y2n2y+z2n2z=11n21x2+1n22y2+1n23z2+21n24yz+21n25xz+21n25xy=1yx'y'450xof9LaserbeamModulationTechnology（一）物理基础42.电光调制2.电光相位延迟当电场加在Z轴方向时：ny`−nx`=n3oγ63Ez当光通过长为L的晶体后产生相位差：∆φ==𝜑𝑛𝑦`−𝜑𝑛𝑥`=2πλn3oγ63V可见，这个相位延迟完全是由电光效应造成的双折射引起的，两偏振光的相位差（电光相位延迟）与外加电压V成正比yx'x'xn'yn'yz45图2.3折射率椭球截面of9LaserbeamModulationTechnology（一）物理基础42.电光调制3.光偏振态的变化由上述电光相位延迟效应，（非主轴）导致出射光的偏振态发生变化（1）当晶体未加电场，∆φ=2nπn=0，1，2⋯时此时，晶体相当于“全波片”（2）当晶体加电场使，∆φ=n+12πn=0，1，2⋯时且椭圆曲率相同，晶体相当于“1/4波片”（3）当晶体加电场使，∆φ=2n+1πn=0，1，2⋯时且θ=45o，晶体相当于“半波片”of9LaserbeamModulationTechnology（一）物理基础（二）电光强度调制42.电光调制利用Pockels效应实现电光调制，可分为两种情况：1）施加在晶体上的电场在空间上基本是均匀的，但在时间上是变化的2）施加在晶体上的电场在空间上有一定的分布，形成电场图像，但在时间上基本不变电光效应可分为：纵向电光效应：外加电场与光传输方向一致横向电光效应：外加电场与光传输方向垂直of9LaserbeamModulationTechnology（二）电光强度调制42.电光调制1.纵向电光效应（外加电场与光传输方向一致）其示意图如图所示：xy'x)0('xE'y)0('yE)('LEx)('LEyiEoEz优点：结构简单、工作稳定、不存在自然双折射的影响缺点：半波电压高，特别在调制频率较高时，功率损耗比较大of9LaserbeamModulationTechnology（二）电光强度调制42.电光调制2.横向电光效应（外加电场与光传输方向垂直）其示意图如图所示：主要缺点：存在自然双折射引起的相位延迟（无外加电场时，通过晶体的线偏振光的两偏振分量之间就存有相位差，当晶体因温度变化而引起折射率n0和ne变化时，两光波的相位差发生漂移）-xz'y'xL光的偏振方向入射光调制光检偏器（垂直入射偏振光）dof9LaserbeamModulationTechnology（二）电光强度调制（三）电光相位调制42.电光调制组成：起偏器、电光晶体起偏器的偏振方向平行于晶体主轴，入射晶体的线偏振光不分解，而是沿着主轴方向偏振，故外电场不改变出射光的偏振状态，仅改变其相位，相位的变化为∆φx·=−ωcc∆nx`L'x'xzL调制光电光晶体入射光偏振器载波相位调制波电光相位调制原理图of9LaserbeamModulationTechnology（三）电光相位调制（四）电光偏转42.电光调制光束偏转技术是激光应用的基本技术之一，根据应用目的可分为：模拟式偏转（显示）、数字式偏转（光存储）原理：利用电光效应改变光束在空间的传播方向当一平面波经过晶体时，光波的上部(A线)和下部(B线)所过的折射率不同，通过晶体所需的时间也就不同，导致光线A相对于B要落后一段距离，这就意昧着光波到达晶体出射面时，其波阵面相对于传播轴线偏转了一个小角度of9LaserbeamModulationTechnology（三）电光相位调制（四）电光偏转42.电光调制电光调制有多种用途，其应用有：光纤系统：梳形发生器、电光移频器无线通信系统：光链路、光纤模拟系统先进雷达的欺骗系统：光子宽带微波移相器、移频器微波相控阵雷达系统：光子时间延迟器……of9LaserbeamModulationTechnologya.物理基础53.声光调制声光/弹光效应：声波是一种弹性波，当光波在超声场作用下通过介质时，会产生衍射或散射现象，引起介质折射率发生周期性变化如图所示，深色部分：介质受到压缩，密度增大，相应的折射率也增大白色部分：介质密度减小，对应的折射率也减小在行波声场作用下，介质折射率交替增加或减少nvsxn0ns图3.1超声行波在介质中的传播of9LaserbeamModulationTechnologyb.两种类型63.声光调制按照声波频率的高低及声波和光波作用长度的不同，分为拉曼-奈斯衍射和布拉格衍射1.拉曼-奈斯衍射（多级衍射）当超声波频率较低声光互作用长度L较短光波平行于声波面(垂直于声场传播方向)入射sL入射光xy声波阵面声波光波阵面图3.2超声行波在介质中的传播衍射光特点：各级衍射光的衍射角满足：λssinθm=mλ相应的衍射光的光强：Im=IiJ2v衍射效率：n=IoIi=sin2122πλ∆nLof9LaserbeamModulationTechnologyb.两种类型63.声光调制2.布拉格衍射（选择光的方向与波长）当超声波频率较高声光互作用长度L较长光束与声波波面间以一定的角度斜入射特点：衍射光只有0级，＋1，-1级两级衍射光夹角：2θB衍射效率：n=IoIi=sin2πL2λM2IS3.声光调制应用：光存储激光印刷雷达探测of9LaserbeamModulationTechnology旋转角度：θ=VBlV是费尔德常数，与物质性质有关旋光方向：仅取决于磁场方向，与光的传播方向无关（具有不可逆性），这是与晶体的自然旋光现象不同之处光波通过磁性物质时，其传播特性发生变化的现象法拉第旋转效应克尔效应磁双折射效应磁光效应法拉第旋转效应74.磁光调制分类图4.1磁光效应原理图特点：抗干扰能力强、精度高、体积小、重量轻应用：精密测角、材料研究、工业测量、生物化学of9LaserbeamModulationTechnology85.直接调制直接调制（电源调制）：把传递信息转变为电信号直接注入半导体光源，从而获得调制光信号的方式激光源电信号输入驱动器光信号输出根据调制信号的类型，可分为：连续的模拟调制和不连续的数字（脉冲编码）调制特点：技术简单，成本较低，容易实现，但调制速率受激光器的频率特性所限制of9LaserbeamModulationTechnology96.总结与展望◆激光是一种理想的用于传递信息（包括语言、文字、图像、符号等）的光源◆将信息加载于激光的过程即为调制◆在不同的应用环境中，需采用不同的激光调制技术，由此延伸出了多种激光调制技术结总望展未来，激光器将向大功率、大电流、小型化、高集成方向发展相应的，激光调制技术也应与时俱进，以提供更高精度、更稳定的激光调制作用！！！