第七章_激光技术

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1、第七章 激光技术一、光波的调制 光调制： 通过改变载波的振幅、强度、频率、 相位、偏振等参数来携带信息 光调制的分类：内腔调制（电光调制） 外腔调制（声光调制，磁光调制） 直接调制（电源调制） 1、等幅光频信号的频谱、等幅光频信号的频谱 沿一定方向传播的单色光频信号，数学表达式为)sin()(),(00kztwzEtzE)sin()(00twEtE考虑到信号是定域的， 信号由多个正弦波构成nnnntwEtE)sin()(00图7.12、光频信号的幅度调制、光频信号的幅度调制幅度调制（AM）：将幅度E用随时间变化的量代替，即光频信号的幅度按调制信号形式发生变化，上式可展开为0wwstwtwMEt

2、EsA00sin)cos1 ()(twwEMtwwEMtwEtEsAsA)sin(2)sin(2sin000000）（一般情况下 0000sin()sin()22AASSMMEww tEww t和 其中是光载频分量twE00sin 分别为上边带分量和下边带分量，具有相等幅度，呈对称分布。调制系数minmaxminmaxEEEEMA多频调幅twtwMEtEnsnAn00sincos1 )(nsAnsAntwwMtwwMEtwE)sin()sin(21sin000003、光频信号的频率和相位调制、光频信号的频率和相位调制相位调制（PM）)(cos)(000ttfkwEtEf)(cos)(000tf

3、ktwEtE频率调制（FM）相位调制的峰值相移和调制信号幅度成正比，频率调制的频偏和调制信号幅度成正比，二者本质上是一样的图7.5 7.74、光频信号的强度调制)()(sin)(002202tItwEtE)(sin)cos1 (2)(00220twtwMEtISI强度调制是指光频载波的振幅平方受到调制，由于一般光探测器件都和光强有直接关系，所以被普遍应用MI强度调制系数对多种调制信号)(sincos1 2)(00220twtwMEtInsnIn图7.9图7.85、光频信号的脉冲调制与脉冲编码调制脉冲调制是用一种断续的周期性脉冲序列作为载波，这种载波受到调制信号的控制，脉冲的幅度、位置、频率等随

4、调制信号变化而传递信息 脉冲调制分为脉冲调幅(PAM)、脉冲强度调制(PIM)、脉冲频率调制(PFM)、脉冲调位(PPM)、脉冲调宽(PWM)twtMEtIn0202cos)(1 2)(脉冲强度调制)(nnttt脉位调制twEtE00cos)()(dndnttt脉冲调频 )(cos)(00dttMwtwEtEnd)(nnttt脉冲编码调制脉冲编码调制包括三个过程：抽样、量化和编码抽样：把连续的信号波分割成不连续的脉冲序列量化：把抽样后的脉幅调制信号分级取整，用最接近的整数值代替实际值编码：通过量化变成用数字表示的信号，再把这种信号变换成相应的二进制代码 图7.12二、电光调制电光调制的物理基础

5、就是电光效应。电光效应：物质的折射率因外加电场而发生变化的一 种效应。 包括: 线性电光效应（Pockel效应）和二次电 光效应(kerr效应) 1222222eoonZnYnX单轴晶体1.电光效应晶体在外电场的作用下，其极化率张量和折射率会发生变化。这种由于外电场引起的晶体介电和光学特性变化的现象就称为电光效应介质的折射率000Vcn在电场作用下200)()(kEEnEEn在E不太大的情况下，n(E)只包含E 和E2项。把折射率随电场线性变化的称为普克尔效应（Pockel），把折射率包含二次项的称为克尔效应（Kerr）或二次电光效应。克尔效应对任何晶体都存在，普克尔效应在反演对称晶体中不存在

6、。一般情况下普克尔效应要大于克尔效应，因此仅讨论普克尔效应在外电场的作用下，折射率椭球将发生变化，原来光轴沿Z方向的椭球方程不成立，应写为一般形式1)1(2)1(2)1(2)1()1()1(625242232222212XYnXZnYZnZnYnXn加电场后iiinnn)1(1)1(222Ennn0只考虑普克尔效应由于n较小nnnnnnnnn3030222)(2)1(12)1(312)1(jjijiEni=1,2,6写成矩阵形式zyxEEEnnnnnn636261535251434241333231232221131211625242322212)/1 ()/1 ()/1 ()/1 ()/1

7、()/1 (电光张量电光系数折射率椭球方程为1)(2)(2)(2)1()1()1(636261535251434241233323123223222122213121121XYEEEXZEEEYZEEEZEEEnYEEEnXEEEnzyxzyxzyxzyxzyxzyxKDP晶体的位相延迟KDP晶体的电光张量634141000000000000000KDP的折射率椭球方程为1222634141222222xyExzEyzEnznynxzyxeoo若电场取Z方向，则126322222Exynznyxeoxyxyxy45XY与XY之间的转换关系45cos45sin45sin45cosyxyyxx得到

8、在XY坐标系中的椭球方程1)1()1(2226322632eoonzyEnxEn1222222eyxnznynx或其中Ennox632211Ennoy632211对KDP晶体，一般En63201EnnnEnnnyx30630306302121如果光波沿Z方向转播，则光波X的偏振分量和Y的偏振分量通过晶体后会产生位相差，设晶体厚度为l，则位相差为VnlEnlnnxy3063306322)(2V为晶体二端所加电压当位相差为时，所加电压为63302nV 称为半波电压根据半波电压，位相差又可写为VV一线偏光在XY坐标中可以分解为)cos()cos(002001wtEEwtEEyx通过晶体后)cos()

9、cos(002001wtEEwtEEyx合成后的偏振光的电矢量振动轨迹为20201202201sincos2EEEEEEEEyxyx图7。152.电光调制正交偏振片，放光电晶体和1/4波片，波片光轴和x交45度以xy为坐标系，入射光iwtyxAeEE)0()0(通过晶体和波片后，x和y方向的电场位相差为2VV因此出射的光波电场为)()()()(klwtiyiklwtixAelEeAelE通过检偏镜后的电场为45cos)(135cos)(lElEEyxy)1 (22)(iklwtieAe透过的光强2sin2)cos1 ()1)(1 (212222*AAeeAEEIiiyy透过率)24(sin2s

10、in22VVT若外电压V为信号调制电压，即)sin(tVVmm因此)sin(2cos121)sin(24sin2tVVtVVTmmmm)sin(sin121tVVmm由于Vm很小，所以1VVm)sin(1 21tVVTmm电压沿光传播方向，称为纵向调制外电场和光传播方向垂直，称为横向调制21)(2)(2633Vdlnlnnlnnoeozx自偏置横向调制的优点：1.电极不会遮挡光路；2. 无需波片；3. 可增加长度减小d来降低电压，增加光电效应缺点：对温度敏感3、声光调制超声波在介质中传播时，引起介质密度交替变化，其折射率也发生相应变化。存在超声波的介质可以看作一个超声光栅，光栅常数等于波长。入

11、射光被光栅衍射，衍射光的强度、频率和方向都随超声场而变化。声波在介质中传播分行波和驻波两种形式。行波所形成的超声光栅是空间移动的，介质折射率的增大减小是交替变化的，并以声速向前推进。折射率的瞬时空间变化可以表示为 驻波形成的相位光栅是固定在空间的，可以认为是两个相向行波叠加的结果，介质折射率随时间变化的规律为zktwsssinsin2)sin(),(zkttzss声光相互作用按照各级衍射光动量失配程度的不同，分为拉曼-奈斯衍射和布拉格衍射。为了界定两种类型的衍射，引入参Q，当Q4时为布拉格衍射。拉曼-奈斯衍射：超声频率较低，声光作用长度较短，超声光栅与普通平面光栅类似，因此光通过光栅后将产生多