c4.4激光调制技术

§4.4激光调制技术§4.3激光束的变换§4.1激光器输出的选模1§4.5激光偏转技术第四章激光的基本技术§4.6激光调Q技术§4.2激光器的稳频§4.7激光锁模技术激光是一种频率更高（1013~1015Hz)的电磁波，它具有很好相干性，因而与无线电波相似可以用来作为传递信息的载波。过程：首先将信息加载到激光上，由激光“携带”的信息(包括语言、文字、图像、符号等)通过一定的传输通道(大气、光纤等)送到接收器，再由光接收器鉴别并还原成原来的信息。这种将信息加载于激光的过程称之为调制完成这一过程的装置称为调制器。其中激光称为载波；起控制作用的低频信息称为调制信号。)(txt解调：调制的反过程，即把调制信号还原成原来的信息。4.4.1激光调制的基本概念激光光波的电场强度是：因激光具有振幅、频率、相位、强度等参量，如使其中某一参量按调制信号的规律变化，则激光受到信号的调制，达到运载信息的目的。根据调制器和激光器的相对关系，可以分为内调制和外调制。内调制：是指加载调制信号是在激光振荡过程中进行的，即以调制信号去改变激光器的振荡参数，从而改变激光输出特性以实现调制。调制的分类：注入式半导体激光器，是用调制信号直接改变它的泵浦驱动电流，使输出的激光强度受到调制(也称直接调制)。还有一种内调制方式是在激光谐振腔内放置调制元件，用调制信号控制元件的物理特性的变化，以改变谐振腔的参数，从而改变激光器输出特性，以后介绍的调Q技术实际上就是属于这种调制。4.4.1激光调制的基本概念)cos()(ccctAtE外调制：是指激光形成之后，在激光器外的光路上放置调制器，用调制信号改变调制器的物理特性，当激光通过调制器时，就会使光波的某参量受到调制。外调制方便，且比内调的调制速率高（约一个数量级），调制带宽要宽得多，故倍受重视。按调制器的工作原理，可分为电光调制、声光调制、磁光调制、和直接调制（电源调制）激光调制按其调制的对象可以分为调幅、调频、调相及强度调制等。4.4.1激光调制的基本概念一、振幅调制振幅调制就是使载波的振幅随着调制信号的规律而变化的振荡，简称调幅。设激光载波的电场强度为：如果调制信号是一个时间的余弦函数，即：()cosmmatAt其中Am和ωm分别是调制信号的振幅和角频率，当进行激光振幅调制之后，激光振幅Ac不再是常量，而是与调制信号成正比。4.4.1激光调制的基本概念)cos()(ccctAtE)cos(cos1)(ccmacttmAtE其调幅波的表达式为：利用三角公式：)cos()cos(21coscos式中，称为调幅系数。cmaAAm得：cmccacmccaccctAmtAmtAtE)(cos2)(cos2)cos()(得：cmccacmccaccctAmtAmtAtE)(cos2)(cos2)cos()(式中，称为调幅系数。可见调幅波的频谱是由三个频率成分组成的，其中，第一项是载频分量，第二、三项是因调制而产生的新分量，称为边频分量。cmaAAm调幅波频谱2caAmmccmcm22caAmcA)cos(cos1)(ccmacttmAtE其调幅波的表达式为：一、振幅调制调频或调相就是光载波的频率或相位随着调制信号的变化规律而改变的振荡。因为这两种调制波都表现为总相角(t)的变化，因此统称为角度调制。()()()ccfttkat)cos()(ccctAtE中的角频率ωc不再是常数，而是随调制信号而变化，即：对于调频而言，就是式二、调频和调相若调制信号仍是一个余弦函数，则调频波的总相角为：()()()()(cos)sinccfccfccfmmccfmcttdtkatdttkatdttkAtdttmt其中称为调频系数，kf称为比例系数。mmmffAkmmfAk则调制波的表达式为：同样，相位调制就是相位角不再是常数，而是随调制信号的变化规律而变化，调相波的总相角为：式中，称为调相系数。mAkmtAkttakttmmcccccos)()(则调相波的表达式为：由于调频和调相实质上最终都是调制总相角，因此可写成统一的形式二、调频和调相)sincos()(cmfcctmtAtE)coscos()(cmcctmtAtE)sincos()(cmcctmtAtE调频和调相波的频谱：由光载频与在它两边对称分布的无穷多对边频所组成的，各边频之间的频率间隔是。m强度调制是光载波的强度(光强)随调制信号规律而变化的激光振荡。激光调制通常多采用强度调制形式，这是因为接收器(探测器)一般都是直接响应其所接收的光强变化。激光的光强定义为光波电场的平方，其表达式为:三、强度调制于是，强度调制的光强表达式可写为:)(cos)(12)(22ccpcttakAtI式中，为比例系数。设调制信号是单频余弦波pk)cos()(tAtamm将其代入上式,并令pmpmAk(称为强度调制系数))(coscos12)(22ccmpcttmAtI)(cos)()(222ccctAtEtIm光强调制波的频谱可用前面所述类似的方法求得，但其结果与调幅波的频谱略有不同，其频谱分布除了载频及对称分布的两边频之外，还有低频和直流分量。t()It载波调制信号强度调制三、强度调制4.4.2电光强度调制电光调制的物理基础是电光效应，即某些晶体在外加电场的作用下，其折射率将发生变化，当光波通过此介质时，其传输特性就受到影响而改变。可做成光调制器件、光偏转器件和电光滤波器件。光波在介质中的传播规律受到介质折射率分布的制约，而折射率的分布又与其介电常量密切相关。当晶体上施加电场后，将引起介电常量的变化，最终导致晶体折射率的变化。晶体折射率可用施加电场E的幂级数表示，即一、电光效应20nnEbE式中，是一次项，由该项引起的折射率变化，称为线性电光效应或泡克耳斯(Pockels)效应；由二次项bE2引起的折射率变化，称为二次电光效应或克尔（Kerr）效应。本章只讨论线性电光效应。E二、电光强度调制4.4.2电光强度调制1.图(4-21)(a)是一个典型的电光强度调制的装置示意图。它由两块成正交的偏振片及其间放置的一块单轴电光晶体组成。偏振片的偏振方向分别与电光晶体的x、y轴平行。图(4-21)电光调制装置示意图2.当在电光晶体上沿z轴方向施加电场后，由电光效应x、y轴将旋转45度变为感应主轴x’、y’。设加在晶体上的电压为V，入射到晶体的在x方向上的线偏振激光电矢量振幅为E，则：进入晶体后分解到快轴和慢轴的电矢量振幅都变为'x'y2E沿x’方向振动的光的折射率和沿y’方向振动的光折射率不同xy)(21)(63300感应折射率自然折射率zxE)(21)(63300感应折射率自然折射率zyEzxyE6330沿x’方向振动的光和沿y’方向振动的光的传播速度不同，通过长度为L的晶体两者的位相差即位相滞后为:Vγμλπ63302LEVzLELzxy63302)(24.4.2电光强度调制即沿和方向振动的二线偏振光之间产生位相差'x'yV63302为晶体的线性电光系数634.4.2电光强度调制图(4-21)电光调制装置示意图从晶体出射的两偏振光再通过偏振方向与y轴平行的偏振片检偏后产生的光振幅(见图4－21(b))分别为，，则有，其相互之间的位相差为。此二振动合成的合振幅为：yxE'yyE'2''EEEyyyx)cos1(21)cos(2'2''2'2'2EEEEEEyyyxyyyx)(sin2sin'633020222VIEEI通过检偏器的光强00II从当加在晶体上的电压V的改变使从0到之间变化，则结论：利用调制信号控制加在晶体上的电压，使激光输出的强度按调制信号的规律变化—强度调制。)(sin2sin'633020222VIEEI图(4-22)I/I0-V曲线图(4－22)画出了曲线的一部分以及光强调制的情形。VII04.4.2电光强度调制)2cos1(21)(sin63300633020VIVII输出光强和调制电压并不是线性关系—调制光易发生畸变，在曲线中点附近有一段近似线性部分----波形畸变小。为获得线性调制，使工作点选在曲线中点处，通常在调制晶体上外加直流偏压V/2来完成。4.4.3电光相位调制1.图(4－23)相位调制装置示意图。加电场后，振动方向与晶体的y’轴相平行的光通过长度为l的晶体，其位相增加为图(4-23)相位调制装置示意图3006322zEl2.晶体上所加的是正弦调制电场，光在晶体的输入面(z=0)处的场矢量大小是sinzmmEEtcosUAt入则在晶体输出面(z=l)处的场矢量大小可写成)sincos(22cos63300ttAUlEtAUmz出出式中，为相位调制度。输出场的相位受到角频率为的调制电场的调制。lEm6330m§4.4激光调制技术§4.3激光束的变换§4.1激光器输出的选模18§4.5激光偏转技术第四章激光的基本技术§4.6激光调Q技术§4.2激光器的稳频§4.7激光锁模技术4.5激光偏转技术概述使激光束相对于原始位置作一定规律的偏转扫描根据使用目的不同分为两类：模拟式偏转：能使激光束连续的位移，主要用于激光显示技术数字式偏转：能使激光束离散地投射到空间中某些特定的位置上，主要用于光存储设计或评价一个光偏转器的主要指标：偏转角的大小要达到激光扫描的范围扫描速度要满足快速记录和显示的要求偏转效率：偏转光强与入射光强之比，反映了光偏转器的光能损失分辨率或在扫描范围内可分辨的点数（光束的发散角）目前激光技术中最常用的是以下三种偏转方法：机械式偏转、电光偏转、声光偏转4.5.1机械偏转机械偏转是利用反射镜或棱镜等光学元件的旋转或振动，改变反射光或折射光的方向，从而获得光束偏转的方法优点：扫描角度大，通常可大于300，可分辨象素多，光学损失小等下图所示的旋转多面反射镜鼓是一种典型的机械偏转方法这种机械偏转法的缺点是受电机转速的限制，扫描速度较低。4.5.2电光偏转电光偏转：利用泡克耳斯效应，通过施加在电光晶体上的电场来改变晶体的折射率，使光束偏转。偏转角：假设置于空气中的棱镜折射率为０，激光入射角为，则由折射定律可以得到在电光晶体上施加电场后，晶体折射率的改变量为。由于泡克耳斯效应引起的折射率变化极小(10-4量级)，可证明出射光偏转角的相应改变量为因此出射光偏转角的改变量与折射率变化成线性关系！从而可以利用外加电压控制光线的前进方向0sin()sin0arcsin(sin)00{arcsin[()sin]}[arcsin(sin)]电光偏转实际的电光晶体偏转器是由两个晶体棱镜(如KDP棱镜)所组成。棱镜各边分别沿x、y和z轴，该二晶体的光轴(z轴)反向。外加电场沿图示z轴方向，光的传播方向沿y’轴的方向，它的偏振沿x’轴施加电压后，上、下层棱镜中传播时光的折射率为总光束偏转角图4-24实际的电光晶体偏转器zBAE6330zAE633002zBE6330023063zE下下上上电光偏转一个电光偏转器所能获得的偏转角很小，很难满足实际应用的要求为增加偏转角，而外加电压又不致太高