激光器件与技术第一章2讲

§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§长春理工大学电子科学与技术系Page:1第1章————————————————激光调制与偏转技术第一章激光调制与偏转技术长春理工大学电子科学与技术系Page:2本章主要内容•以调制为重点。对偏转技术不作重点要求。一．调制基本概念二．振幅调制和强度调制（定义，调制方法）三．频率调制和相位调制（定义，调制方法）四．电光调制、声光调制和磁光调制五．激光偏转技术（简单）第一章激光调制与偏转技术长春理工大学电子科学与技术系Page:3§1.1调制的基本概念一、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：利用调制信号去改变载波的某一参数，使其参数按调制信号的规律发生变化的过程。从定义看出调制的含义：1)调制信号：把需要调制的信息转化为电信号，即调制信号。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。第一章激光调制与偏转技术长春理工大学电子科学与技术系Page:4§1.1调制的基本概念二．激光调制1.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2.如何调制？激光电场：利用某种物理方法改变光波的某一参量，使其按调制信号的规律变化，则激光受到调制，达到运载信息的目的。3.调制器：完成激光调制的装置。理想传递信息的载波！cosccccetAt(1)第一章激光调制与偏转技术长春理工大学电子科学与技术系Page:5§1.2调制的分类三.调制的分类根据调制器与激光器的相对关系，分为内调制和外调制：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。♠举例：半导体激光器→调制驱动电流；腔内放置调制元件→调Q技术2)外调制：把调制器放在激光器的外面。第一章激光调制与偏转技术长春理工大学电子科学与技术系Page:6§1.2调制的分类外调制:优点：a.因为调制器和激光形成无关,不影响激光器的输出功率。b.调制器的带宽不受谐振腔通带的限制。缺点：调制效率低。内调制: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.调制器带宽受谐振腔通带的限制第一章激光调制与偏转技术长春理工大学电子科学与技术系Page:7§1.2调制的分类三.调制的分类根据调制的性质，可分为振幅调制、频率调制、相位调制和强度调制等。激光电场：cosccccetAt(1)第一章激光调制与偏转技术长春理工大学电子科学与技术系Page:8§1.2调制的分类1.振幅调制（调幅）(1)定义：以调制信号去改变激光的振幅，使其振幅按调制信号的规律变化。调制前：调制后：激光振幅Ac不在是常量，而是与调制信号成正比的函数：0()()cos()()coscccmetAttatAt载波信号：调制信号：0()()()(cos)cos()ccmccAtAKatetAKAtt调制振幅：调制后：(2)(3)(4)(5)第一章激光调制与偏转技术长春理工大学电子科学与技术系Page:9§1.2调制的分类0()()cos()()coscccmetAttatAt载波信号：调制信号：123第一章激光调制与偏转技术长春理工大学电子科学与技术系Page:10§1.2调制的分类(2)调制系数：振幅的最大增量与振幅的平均值之比。振幅的最大值振幅的最小值振幅的最大增量由可得m主要由K，A0决定，即比例系数K和调制信号的振幅A0max0AcAKAmin0AcAKAmaxminccAAAAAcAmA0AKA＝0cKAmA对m的要求：m1,保证调制信号在传输过程中不畸变。m≥1时，使调制信号失真。(6)第一章激光调制与偏转技术长春理工大学电子科学与技术系Page:11§1.2调制的分类0()cos()(1cos)cos()[cos()coscos()]cos()cos[()]cos[()]22mcmcccccmcccccccmcccmcatAtetAmttAtmttmmAtAtAt调幅波含三个不同的频率：第一项为调制前的激光振荡波（载频）第二项激光频率和调制频率之和（边频）第三项激光频率和调制频率之差（边频）(3)调幅波的频谱分析①②③第一章激光调制与偏转技术长春理工大学电子科学与技术系Page:12§1.2调制的分类2．频率调制和相位调制（调频和调相)(1)定义：以调制信号去改变激光振荡的频率（相位），使激光的频率（相位）按调制信号的规律变化的过程称频率（相位）调制。()cos()cccetAt=()()ccftkat常数()()ctkat常数调频调相(7)(8)c第一章激光调制与偏转技术长春理工大学电子科学与技术系Page:13§1.2调制的分类总相位：调频和调相以后使总相位(t)变化——按调制信号的规律变化。因此两者可归为一类。两者的差别是实现方法不同。调相：000cos()cos[()]ccos(sin)cos(sinos()()())sincccmcccmcccccccmetAtkAtAtetAtetAtkatAtdtttmttatAtmkA调制前()=调制后()=（）其中（）为总相位且有d假设调制信号，则为比例系数()=（弧度）ct（t）=(9)(1)(10)(11)000cos()cos[()]ccos(sin)cos(sinos()()())sincccmcccmcccccccmetAtkAtAtetAtetAtkatAtdtttmttatAtmkA调制前()=调制后()=（）其中（）为总相位且有d假设调制信号，则为比例系数()=（弧度）第一章激光调制与偏转技术长春理工大学电子科学与技术系Page:14000000()[()]()()cosc()cosossinsi(sn)nitcttcfccfcmtcfmcfccfmcmccfmcmcttdtkatdttkatdtatAtttkAtdtkAtttemAmtttt0总相位：()=+如果：，则（）=调频后的电场：§1.2调制的分类调频：(12)(13)(14)第一章激光调制与偏转技术长春理工大学电子科学与技术系Page:1501Acos(sin)1sin(sin)sin()[cos()sinsin()]cos()cos[()]cos[()]22fffmmfmfmfmcccfmccffcccccmcccmcmmkAmtmtmtetAtmttmmAtAtAt0当时，；当一定时，小，调制信号弱。；§1.2调制的分类(2)频谱分析调频和调相以后，总相位角按调制信号的规律变化，激光的频率是时间的函数。根据傅里叶分析，它是许多不同频率波形之和。以上面的调频为例:()cos(sin)cos()cos(sin)sin()sin(sin)ccfmccccfmcccfmetAtmtAtmtAtmt(15)(16)第一章激光调制与偏转技术长春理工大学电子科学与技术系Page:16§1.2调制的分类3.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规律变化的过程。222200000020()()cos()()()()()]cos()ccccpppccItetAtAIIIItatItIKatKItIKatt调制前激光光强：设常数光强的最大值当光强受到调制时，不再是常数，按调制信号的规律变化，即：（）时间的函数设调制信号为(),则（是比例系数）则[考虑经过光强调制以后，不失真，则平均光强选在I0/2。(17)(18)第一章激光调制与偏转技术长春理工大学电子科学与技术系Page:17§1.2调制的分类(2)频谱分析设，则光强调制系数为：调制后的光强为：0()sinmatAt000022ppKAImII光强最大增量光强平均值20()(1sin)cos()2pmccIItmtt(19)(20)第一章激光调制与偏转技术长春理工大学电子科学与技术系Page:18§1.2调制的分类4．脉冲调制(1).脉冲调制如果用光脉冲作为载波，这种载波受到调制信号的控制，使脉冲的幅度、位置、频率等随之发生变化而传递信息。(2).脉冲调制的类型：脉冲调幅（PAM）脉冲强度调制（PIM）脉冲调频（PFM）脉冲调位（PPM）脉冲调宽（PWM）脉冲编码调制（PCM）第一章激光调制与偏转技术长春理工大学电子科学与技术系Page:19调制的基本概念小结•什么是调制？什么是激光调制？如何进行激光调制？•根据调制的性质，可将调制分为哪几类？•试以振幅调制为例，分析情况下的调制系数和调幅波的频谱情况。•什么是脉冲调制？脉冲调制的类型包括哪些？0()()cos()()coscccmetAttatAt载波信号：调制信号：第一章激光调制与偏转技术长春理工大学电子科学与技术系Page:20§1.3电光调制电光效应：晶体或液体→外加电场作用→折射率发生变化（电光效应）→光波通过时，传播特性改变。1.电光调制的物理基础：光波在介质中传播受介质折射率分布的制约→折射率的分布与介电常量相关→介电常量与电荷分布有关→晶体上加电压，电荷重新分布→离子晶格微小变化→介电常量改变→随电场的方向和大小而改变。20nnnEhE线性电光效应或泡克尔斯效应二次电光效应或克尔效应(1)第一章激光调制与偏转技术长春理工大学电子科学与技术系Page:21本小节主要内容电光调制的物理基础1电光强度调制2电光相位调制3电光波导调制4设计电光调制器注意问题6电光偏转5纵向电光调制横向电光调制电致折射率变化电光相位延迟光偏振态的变化基本原理电光数字式偏转电光调制第一章激光调制与偏转技术长春理工大学电子科学与技术系Page:22§1.3电光调制1).电致折射率变化（折射率椭球法）未加电场时：施加电场后：2221xyzxyznnn2222222221234561111112221xyzyzxzxynnnnnnx、y、z分别为折射率椭球的主轴，即在晶体内沿着这些方向的电位移D和电场强度E是相互平行的；nx、ny、nz分别是三个方向主折射率。(2)(3)第一章激光调制与偏转技术长春理工大学电子科学与技术系Page:23§1.3电光调制折射率椭球各系数变化量：张量的矩阵形式如式：3211ijjjiEnij线性电光系数212211121321222312331323324142433245152536162632526111111nnEnEEnnn电光张量，由晶体参数决定。(4)(5)第一章激光调制与偏转技术长春理工大学电子科学与技术系Page:24§1.3电光调制以KDP晶体为例，负单轴晶体。415263000000000000000ij设外加电场平行于z轴：折射率变化与电场成正比，这就是利用电光效应实现光调制、调Q、锁模等技术的物理基础。03'633'63'1212x