激光原理第四章

4.1激光器输出的选模4.2激光器的稳频4.3激光束的变换4.4激光调制技术4.5激光偏转技术4.6激光调Q技术第四章激光的基本技术4.7激光锁模技术§4.3高斯光束•基模高斯定律•基模高斯光束在自由空间的传输规律•基模高斯光束的特征参数•高斯光束通过薄透镜的变换•高斯光束聚焦•高斯光束的准直•高斯光束的扩束稳定腔产生的基模高斯光束的通用表达式为：一、基模高斯定律其中,c为常数根据一般稳定球面腔(R1、R2、L)所产生的高斯光束，其参数f与(R1、R2、L)的关系为：])2([)(00222)(),,(fzarctgRrzkizwreezwczyxU2k222yxr20)(1)(fzwzwwzfzzffzfzfzzRR22)(])(1[)(20wffw00wz处高斯光束等相位面上光斑尺寸z处高斯光束等相位面的曲率半径f称为高斯光束的共焦参数，腰半径（束腰）22121212)2())()((LRRLRRLRLRLf29-3,,exp12exp212212,,222222zyxiwyxywHxwHCzyxussnsmmnmn（1）振幅部分：第一项：表示随着光班半径增加，则场振幅下降。（纵向）①公式意义：二、基模高斯光束在自由空间的传输规律])2([)(00222)(),,(fzarctgRrzkizwreezwczyxU第二项：表示高斯光束在横截面内的场振幅分布服从高斯函数（横向）§4.3高斯光束②光斑半径（振幅下降到原来的处的）二、基模高斯光束在自由空间的传输规律④基模高斯光束的包络为单叶双曲面⑤z=0处极小值，称为束腰。③光斑半径沿z轴变化：e1)(zw220020)(1)(1)(wzwfzwzw1)(22202fzwzw§4.3高斯光束二、基模高斯光束在自由空间的传输规律（2）相位部分：fzarctgRrzkzyx)2(),,(200§4.3高斯光束第一项为几何相移;第二项表示与横向坐标（x,y）有关的相位移动,说明高斯光束的等相位面是以R为半径的球面。kzRrk2229b-321211,,22nmfrfkzyx第三项描述高斯光束在空间行进距离z时，相对几何相移的附加相位超前。)(1fztg二、基模高斯光束在自由空间的传输规律f束腰处的等相位面为平面,曲率中心在无穷远。①z=0时，（2）相位部分：高斯光束的波振面（等相位面）是半径为R（z）的球面，但它与球面波不同的是它的曲率中心和曲率半径在不断变化：讨论：])(1[)(220zzzR)(zR②时，z无穷远处的等相位面为平面,曲率中心在束腰处。zzR)(⑤z＞f时，曲率中心在区间上。fzzRz)(]0,[f④0＜z＜f时，曲率中心在区间上。③时，R极小值，曲率中心在fzR2)(fzfzfzR2)(],[f§4.3高斯光束二、基模高斯光束在自由空间的传输规律高斯光束的特点：在传输轴线附近可以近似看作是一种非均匀球面波。①振幅和强度在横截面内始终为高斯分布。（3）远场发散角：定义：基模高斯光束强度的点的远场发散角（全角）：②等相位面（波振面）为球面，曲率中心随传输过程不断改变。③光束随传输按双曲线的规律发散。(z0发散;z0会聚)。0006376.02)(2limwwzzwzff128.121．用参数（或f）及束腰位置（z＝0）表征高斯光束：三、基模高斯光束的特征参数由此可以确定高斯光束的所有特征。2．用W参数和R表征高斯光束：0wfw020wf1222/1220)()(1)()()(1)(zwzRzRzzRzwzww若已知和，则用下式可定出束腰和共焦腔所处的位置：)(zw)(zR若f已知，即有已知，则可得高斯光束的场分布和任意位置的光斑尺寸、等相位面曲率半径、相移和发散角。0w2200)(1)(wzwzw])(1[)(220zzzR从波动光学的角度讲，薄透镜的作用是改变光波波阵面的曲率半径。fss1111.从光波的角度看，规定发散球面波的曲率半径为正，会聚球面波的曲率半径为负，成像公式可改写为：fRR111图4-15球面波通过薄透镜的变换2.将透镜的变换应用到高斯光束上，有以下关系：fRR111①②图4-16高斯光束通过薄透镜的变换四、高斯光束通过薄透镜时的变换实际问题中，通常和是已知的，此时，则入射光束在镜面处的波阵面半径和有效截面半径分别为：0ssz0])(1[220ssR2200)(1s四、高斯光束通过薄透镜时的变换2.将透镜的变换应用到高斯光束上，有以下关系：fRR111①②四、高斯光束通过薄透镜时的变换2.将透镜的变换应用到高斯光束上，有以下关系：),,('),,(')(1])(1[111002200220fsgfshRsssRfRR22220222200220)(1)(1)(1])(1[RRRssssR这样我们可以通过入射光束的、来确定出射光束的、了。0s0s(1)短焦距：即fR3.高斯光束入射到短焦距透镜时的聚焦情形(2)短焦距时fRffR1fffs])(1[22211)1(xxx(3)在满足条件和的情况下，出射的光束聚焦于透镜的焦点附近。这与几何光学中的平行光通过透镜聚焦在焦点上的情况类似。fR12f短焦距透镜的聚焦四、高斯光束通过薄透镜时的变换22)(1RRsfRR11112222])(1[)''(1'ffRRs12f(4)由前面的结论可得：f0四、高斯光束通过薄透镜时的变换3.高斯光束入射到短焦距透镜时的聚焦情形fffs])(1[2222220)(1R短焦距122222222222202])(1[)()(1)()(11fffffffRfRf0四、高斯光束通过薄透镜时的变换3.高斯光束入射到短焦距透镜时的聚焦情形短焦距(5)缩小聚焦点光斑尺寸的方法一种方法就是要采用焦距小的透镜2200)(1s另一种方法就是要增加022途径一：增加s途径二：增加发散角四、高斯光束通过薄透镜时的变换3.高斯光束入射到短焦距透镜时的聚焦情形短焦距(5)缩小聚焦点光斑尺寸的方法一种方法就是要采用焦距小的透镜2200)(1s另一种方法就是要增加022途径一：增加s途径二：增加发散角用凹透镜增大ω后获得微小的ω’0用两个凸透镜聚焦四、高斯光束通过薄透镜时的变换3.高斯光束入射到短焦距透镜时的聚焦情形短焦距(6)sssffs'002200)(1sf022002022000)(1)(1sfssf1)(220s00sf这与几何光学中物、象的尺寸比例关系是一致的。四、高斯光束通过薄透镜时的变换3.高斯光束入射到短焦距透镜时的聚焦情形(6)物聚与焦距相等情形fs])(1[220ssR])(1[220ffRfRR111])(1[220ffR22)(1RRs2200)(1sfs同理有：002222022022002200)(1])(1[)(1)(1fRffRfsfs根据高斯光束的渐变性可以设想，只要和相差不大，高斯光束的聚焦特性会与几何光学的规律迥然不同。sf四、高斯光束通过薄透镜时的变换3.高斯光束入射到短焦距透镜时的聚焦情形(6)物聚与焦距相等情形sssf'00改善光束的方向性，压缩光束的发散角四、高斯光束通过薄透镜时的变换4.高斯光束的准直(1)准直目的022因此增大出射光束的腰粗就可以缩小光束的发散角00f(2)准直方法四、高斯光束通过薄透镜时的变换4.高斯光束的准直(2)准直方法选用两个透镜，短焦距的凸透镜和焦距较长的凸透镜可以达到准直的目的。倒装望远镜系统压缩光束发散角M’是高斯光束通过透镜系统后光束发散角的压缩比。M是倒置望远镜对普通光线的倾角压缩倍数。由于f2＞f1，所以M＞1。又由于＞0，因此有M’M＞110f020f120ff222210ff22M0012MffM022§4.3高斯光束•基模高斯定律•基模高斯光束在自由空间的传输规律•基模高斯光束的特征参数•高斯光束通过薄透镜的变换•高斯光束聚焦•高斯光束的准直•高斯光束的扩束§4.4激光调制技术•激光调制的基本概念•电光强度调制•电光相位调制1.目的：通过调制进行信息的传递。2.调制：把信息加到载波的过程即调制。定义：利用调制讯号去改变载波的某一参数，使其参数按调制讯号的规律发生变化的过程。从定义看出调制的含义：1)调制讯号：需要调制的信息需转化为电讯号，即调制讯号2)载波：为传递信息附加的载体。载波一般用无线电波，光波等，需要频率较高，而且频率固定。一、调制基本概念§4.4激光调制技术3.激光调制：利用激光作为载波进行调制的过程。1)单色性好。2)激光发散角小3)具有较好的时间相干性和空间相干性4.调制器：完成激光调制的装置5.调制的分类1)内调制：在激光形成过程中，以调制信号的规律去改变激光振荡的某一参数。即用调制信号控制着激光的形成。2)外调制：把调制器放在激光器的外面一、调制基本概念§4.4激光调制技术优点：调制效率高。缺点：a.由于调制器放在腔内，等于增加腔内的损耗,降低了输出功率。b.调制器带宽受到谐振腔通带的限制Gl一、调制基本概念5.调制的分类§4.4激光调制技术一、调制基本概念5.调制的分类电光调制、声光调制、磁光调制和直接（电源）调制－按调制器的工作机理还可分为：电光调制声光调制磁光调制直接调制外调制内调制§4.4激光调制技术一、调制基本概念5.调制的分类振幅调制、强度调制、频率调制、相位调制和脉冲调制等－按调制的方法可分为：§4.4激光调制技术调制后：若调制讯号：a.振幅调制（调幅）(1)定义：以调制讯号去改变激光的振幅，使其振幅按调制讯号的规律变化。调制前：一、调制基本概念-调制的对象§4.4激光调制技术00()cos()EtEt()cosmmatAt00()(1cos)cos()mEtEMttb.强度调制(1)定义:以调制信号去改变激光的光强，使光强按着调制信号的规律变化的过程。考虑经过光强调制以后，不失真，则平均光强选在I0/2一、调制基本概念-调制的分类§4.4激光调制技术瞬时光的强度为：22200()()cos()ItEtEt激光强度调制的表达式为：2200()(1cos)cos()2ImEItMtt若调制讯号：()cosmmatAt0()sinmatAt20()(1sin)cos()2pmccIItmtt