9激光偏转.ppt

二 电光调制 电场是沿着晶体主轴x y z中某一个方向加到晶体上的 经常采用的工作方式有两种 一种是电场方向与通光方向一致 都沿着z轴 光轴 方向 称为纵向运用 另一种是电场沿z或x或y轴方向 而通光方向与电场方向垂直 称为横向运用 入射激光经起偏器后 成为振动方向平行于x轴的线偏振光 以纵向运用为例 介绍两种电光调制器的工作原理 1 电光强度调制器 起偏器的偏振方向平行于电光晶体的x轴 检偏器的偏振方向平行于y轴 入射光的强度Ii表示为Ii EE 2A02当光通过长度为L的电光晶体后 x 和y 两分量之间就产生了相位差 若将输出场表示为 在晶体感应主轴x 和y 方向上分量的幅度和相位均相等 若采用复数形式表示 可将位于晶体表面 z 0 的光场表示为 则由检偏器出射的是该二分量在y轴上的投影之和 即为 相应的输出光强It为 写成三角函数形式应为 因此 光强透过率T为 由于在普克尔电光效应中 与晶体上外加电压V成正比 并且当V V 2时 所以根据比例关系 应有 由KDP晶体的纵向电光效应 其半波电压为 所以 光强透过率为 又由于KDP晶体对一定激光波长进行电光调制时 为一常数 因而T将仅随晶体上的外加电压变化 显然 改变加到晶体上的调制电压 即可改变光强透过率 起到了光强度调制的作用 调制器件应处于线性工作状态 假设调制电压为 显然 如果将工作点选在0点 调制器的输出必将产生信息失真 选择工作点 使调制器工作在线性区 为使工作点在A点 采用两种方法 第一 在调制器上再加上一个直流偏压 这个电压叫四分之一波长电压 它相应于产生 2的相位差保证调制器在线性区工作 但增加了电路的复杂性 并且因为调制器的温度变化 会使晶体的四分之一波长电压值随之变化 因而造成工作点的漂移 第二种方法 在光路中插入一个四分之一波片 光通过晶体和四分之一波片后 两个正交偏振分量间的总相位差为为 可见 透过率与调制信号呈现线性关系 调制器光强透过率 如果调制信号较小 满足VM V 2 则近似有 2 电光相位调制器 它是由起偏器和KDP电光晶体组成的 起偏器的偏振轴平行于晶体的感应主轴 电场沿z轴方向加到晶体上 外电场不改变输出光的偏振状态 只改变其延迟相位 光通过晶体后 相位的变化为 如果外加电场 z 0处的入射光场为Ei A0cos t 则通过晶体后 相位调制的输出光场为 略去常数相位因子项 输出光场可表示为 为相位调制系数 声光调制器通常由四部分组成 三 声光调制 1 为驱动电源 2 为电声换能器 3 为声光介质 4 为吸声器 或反射器 声光介质是声光相互作用的场所 电 声换能器在外电场作用下产生机械振动而形成超声波的 它起将调制电信号转换成声信号的作用 吸声器放在超声源的对面 用以吸收通过介质的声波 保证器件工作于行波状态 声光调制器 两种工作方式 一是将零级光作为输出 另一种是将一级衍射光作为输出 其它级次衍射光用光栏档去 调制信号的变化 改变了声光介质中的超声波场 使其折射率分布发生变化 从而使衍射光的方向 光强和频率发生变化 达到调制之目的 由声光效应的分析 布喇格型衍射的一级光强满足下面关系 I1 Ii sin2 V 2 调制信号较小时 上式可近似表示成 I1 Ii V 2 2与电光强度调制器有相同的函数关系和相同的调制特性曲线关系 当根据声光效应的理论分析 上式可进一步表示为I1 Ii 2LM2 2 H Ps 式中L是光通过超声声柱的长度 H是矩形超声声柱的宽度 M2是声光介质的品质因素 表征该调制器的调制效率 PS是超声功率 式中V 2 nL 是光通过声光介质时产生的附加相移 可见 一级衍射光强与声功率PS成正比 而PS又正比于调制电源的功率PE 设PS PE 为电声功率的转换效率 则有 I1 Ii 2LM2 2 H PE 若PE按调制信号规律变化 I1的光强也将随调制信号的规律变化 M2是表征材料调制效率的品质因素 M2越大 调制效率越高 Ml是表征材料的布喇格带宽的品质因素 四 磁光调制 磁光介质置于激光传输光路中 环绕在磁光介质上的线圈通以与调制信号电压成正比的电流 根据法拉第效应可知 通过磁光介质内光的偏振面旋转角正比于调制信号 如果在磁光介质两端放置起偏器和检偏器 即可类似于电光调制器 把按调制信号变化的偏振面的旋转 转化为输出光的强度调制 直接将调制信号加载于激光电源 使激光器发射的激光强度或激光脉冲参数随调制信号变化的调制方法 称为电源调制或直接调制 五 电源调制 当驱动电流大于某一值时 开始发射激光 控制驱动电流的变化 即可得到调制的激光输出 为了获得线性调制 应选择工作点处于持性曲线的线性部分 半导体激光通信机的原理图 其发射机端先将放传送的语音信号送至脉冲调制器 产生调位脉冲电信号 并经过放大 激励半导体激光器 所产生的调制激光通过发射天线 传送至接收机端 接收天线将收到的调制光会聚到光电二极管上 变换为相应的电信号 经过一系列电信息处理后 即可还原出原始的语音信号 4 4光偏转 使激光束相对于原始位置作一定规律的偏转扫描 大屏幕显示 图象传真 雷达的搜索和跟踪 印刷技术及大容量光存储器的寻址检索等应用 光偏转技术分为两类 模拟式偏转 偏转角连续变化 数字式偏转 在选定空间中的某些特定位置上 使光束离散 不连续 地偏转 前者多用于各种显示 后者主要用于光存储 偏转效率 偏转光强与入射光强之比即 Id Ii反映了光偏转器的光能损失偏转分辨率表示光束偏转的最大可分辨点数N dv 评价光偏转器的指标 偏转角 扫描速度 偏转效率和偏转分辨率 dv光束发散角 D光束直径 K是与光束截面形状和强度分布有关的常数 因为 dv K D所以偏转分辨率N D K 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 转镜偏转扫描的优点是 扫描角度大于30 可分辨象素多 光学损失小等 反射镜鼓上有n块相同的反射镜 旋转时 每块反射镜依次将入射光束在光屏上扫描一次 缺点 受电机转速的限制 扫描速度较低 一 机械偏转 二 电光偏转 扫描偏转和数字偏转 1 扫描偏转若入射平面波的波阵面与光楔表面AB平行 并设想有一 空气 A BB 与光楔AA 组成一个长方体棱镜 由于玻璃的折射率n 1 AB面上各点的光振动传到A B 面时 将有不同的光程 从A到A 完全在玻璃中 其光程为nl 从B到B 完全在空气中 其光程为l A和B之间的其它光振动 都只通过一段玻璃 设在玻璃中所走过的路程为l 整个光程为nl 十 l l l n 1 l 从下到上 光程线性增加 当A点的光振动传到A 时 B点的光振动到了B 点 可看出 光波的传播方向发生了偏转 波面法线的偏转角度为 tg 1 nl d n为玻璃介质的折射率与空气介质折射率之差 d为玻璃宽度AB 当 很小时 nl d 2 电光扫描偏转器 图是一种双棱镜KDP电光偏转器 是用两块双折射晶体棱镜 代替上图中的玻璃和 空气楔 棱镜 棱镜各边分别沿x y 和z轴 但二晶体的光轴反向 外加电场沿图示z轴方向 光的传播方向沿y 轴方向 它的振动沿x 轴 并且 x y 分别是晶体外加电场时的感应主轴 按照晶体的电光效应 完全在上面棱镜内传播的光线A的折射率为nA no no3 63EZ 2 完全在下面棱镜内传播的光线B所对应的折射率 因电场符号相对于光轴反号 所以为nB no no3 63EZ 2 于是 上下折射率之差 n no3 63EZ因而光束穿过偏转器之后的偏转角 nl d no3 63EZl d no3 63Vl dhh为z方向晶体的长度 当外加电压变化时 偏转角将成比例地随着变化 可以利用外加电压控制光线的前进方向 一个电光偏转器所能获得的偏转角很小 为了增加偏转角 而外加电压又不致太高 常将若干个KDP棱镜串接成图所示的结构 其中的棱镜2 3 11 12均为等腰直角棱镜 可以把其中每个棱镜等效地看成由两个光楔拼合而成 通过外加电压 使十三个棱镜的折射率交替变化为 nA no no3 63EZ 2 和nB no no3 63EZ 2 则总的偏转角为12 12 nl d no3 63V dh 由于光束宽度和棱镜尺寸的限制 光楔的个数不能太多 由5 12个偏转器组成的多级棱镜偏转器的12 约为几分 2 数字式偏转 图是一种由电光晶体和双折射晶体组合而成的数字式偏转器 其中双折射晶体可以将线偏振入射光分解成两束平行出射 振动方向正交的分离光束 其分离度为d 为晶体中该二光束的离散角 为光轴对入射光波法线的夹角 偏转器的工作过程如下 当电光晶体未加电压 线偏振光 例如0光 通过它的时候 偏振状态保持不变 仍以o光状态射出晶体 其后 通过双折射晶体 方向不变 由于双折射晶体的双折射特性 该e光线在晶体内将以与表面法线方向成 角的方向传播 到达晶体输出面时 偏移间距d 然后以平行于原光路的方向射出 角可以达到6 偏转器的输出光随着电光晶体加与不加半波电压 分别占据两个地址 当电光晶体加上半波电压V 2 线偏振光通过它的时候 偏振面旋转90 o光变成e光 将N个数字偏转器组合起来 可产生2N个偏转点地址 它可以使一束入射光产生2N个偏转点 图中的A1 A2 A3 为电光晶体 B1 B2 B3 为双折射分离棱镜 右边所示数字1和o 分别表示某电光晶体加了半波电压与未加半波电压 相应于三个电光晶体的八种加电压组合方式 有八个偏转点地址 三级数字式偏转器的结构示意图 三 声光偏转 声光控制光束偏转结构与声光调制器相同 不同点是利用改变超声频率的方法 使工作于布喇格条件的光束偏转 光束以布喇格角入射时 相对入射光的偏转角为 fs s 可见 改变超声频率fs 就可以相应地改变偏转角 如果超声频率改变 f 相应的偏转角变化为 衍射光的偏转 式中vs为超声波速 fs为超声频率 fs s s fs 一维声光偏转器的应用示例 He Ne激光经扩束望远镜T1扩束后 入射到柱面透镜L1上 该透镜可以保证射到声光介质上的光束孔径满足要求 声光偏转器受信号的控制 使He Ne光点作一维扫描 第二个柱面透镜L2使扫描光束重新扩展为圆形光束 经物镜L3聚焦 在光屏上显示出受控He Ne光点扫描轨迹 将外界作用施加在激光谐振腔上进行腔内调制的原理 主要有如下几种 1 改变激光谐振腔的Q值 2 改变光学介质的折射率 3 使激光器中振荡的各个纵模相干叠加 3 5改变激光谐振腔参量的内调制 此外 还有利用原子 分子 晶体的工作能级分裂和位移的原理实现光调制等 4 5 1Q调制 由激光原理知道 激光器的Q值表示式为 式中 nL是激光器的光程 是光在腔内的单程能量损耗率 是光波长 调节Q值可以通过调节腔内的损耗实现 谐振腔的损耗率一般可表示为 下面将分别介绍这三种主要的腔内调制原理 分别为反射 吸收 衍射 散射 透射损耗 控制不同类型的损耗 就形成了不同的调Q技术 控制反射损耗 r的有机械转镜调Q技术 电光调Q技术 吸收损耗 a的有可饱和吸收染料调Q技术 色心调Q技术 衍射损耗 d的有声光调Q技术 透射损耗 t的有脉冲透射式调Q技术 破坏全内反射调Q技术等 放在谐振腔内的电光晶体在外加电场的作用下 使入射偏振光的振动方向发生变化 人为地在腔内引入了可控的等效反射损耗 一 电光调Q 电光调Q激光器工作过程如下 自然光通过偏振器后 变成线偏振光 若调Q晶体 KDP 未加电压 该光沿轴线方向 光轴 通过晶体时 其偏振状态不发生变化 经全反射镜反射后 将再次 无变化地 通过调Q晶体和偏振器 电光Q开关处于 打开 状态 如果调Q晶体上施加 4电压 由于纵向电光效应作用 沿x方向的偏振光通过全反射镜 两次经过调Q晶体后 在其相应的两感应主轴方向上的分量间 将产生丌的相位差 合成后得到沿y方向振动的偏振光 不能通过偏振器 电光Q开关处于 关闭 状态 如果在氙灯刚开始点燃时 事先在调Q晶体上加上 4电压 使谐振腔处于 关闭 的低Q状态 将阻断激光振荡的形成 氙灯的不断激励下 图中的wp YAG上能级反转粒子数不断积累 图中的 N t 当反转粒子数达到最大时 瞬时退掉加在调Q晶体上的电压 谐振腔处于 打开 的高Q状态 阈值反转粒子数 Nth很小 N t Nth 即可雪崩式地产生激光巨脉冲 图中的 t 电光调Q的运转过程 由上述工作过程可见 这种电光调Q激光器的关键技术 应精确地保证调Q晶体上加入 4电压时 Q开关处于 关闭 状态 应精确地控制退掉调Q晶体上所加电压的时间 这些问题可以通过适当地设计器件和控制线路得以解决 特点是把电光晶体LiNbO3 横向电光效应 或KDP 纵向电光效应 制作成双45 或单45 的特殊形式 使其兼起起偏器 电光晶体和检偏器的作用 经常采用的电光调Q激光器是单块双45 电光调Q激光器图 a 和单块单45 电光调Q激光器 b 45 Q开关的电光调Q激光器 上面讨论的电光调Q激光器的结构形式虽然不同 但激光振荡是利用输出反射镜的部分反射形成的 即激光器的工作是振荡和输出同时进行 称为脉冲反射式pulse reflection mode PRM 调Q激光器 这种激光振荡在Q开关打开后才开始建立 在腔内往返一次不可能把全部反转粒子耗尽 需要有一个主要取决于光子在腔内往返次数N的时间过程 即需要经过2NL c的时间 才能将腔内激光能量全部输出 因此 这种激光器输出的脉冲宽度 最短为几个ns 峰值功率为几十MW 还有一类电光调Q激光器 其特点是将PRM调Q激光器中的输出反射镜换成全反射镜 改变激光输出的路径 PTM调Q激光器 设置一个特定的光学系统 使Q突变时已在腔内形成了的最大激光振荡 瞬时全部透射输出 这种激光器叫脉冲透射式pulse transmission mode PTM 调Q激光器 或者叫腔倒空激光器 如图M1 M2为谐振腔的两个全反射镜 PC为电光晶体 例如KDP晶体 P为偏振棱镜 KDP晶体的外加电压为V12 它的两个电极上分别加电压V1 V2 其中V1 V 4 V2为图所示的方波 当未加方波电压V2时 Q开关处于关闭状态 谐振腔处于低Q值状态 此时由于氙灯激励 工作物质处于储能阶段 当工作物质上能级反转粒子数达到最大值时 t0时刻 将方波电压V2 V 4加上 晶体上的外加电压为零 Q开关处于 打开 状态 谐振腔处于高Q值状态 腔内迅速建立起振荡 但无输出 当腔内光子数密度达到最大值时 方波电压V2瞬时由V 4变为零 晶体上的外加电压变为V 4 则腔内形成的强光场往返两次经过电光晶体 偏振面旋转90 最后由偏振棱镜P的侧面反射输出腔外 由于在PTM调Q激光器中 只有腔内激光功率密度达到最大值时 谐振腔才耦合输出全部能量 光子逸出谐振腔所需要的最长时间为2L c 即能量的释放基本上是在2L c时间内完成的 所以可获得比PRM调Q激光器更窄的激光脉冲 脉宽可达1 2ns 当然 欲得到这样理想的结果 必须在激光脉冲形成的瞬间 准确地接通谐振腔 并且电脉冲的后沿也要求极为精确 当声光介质中通过超声波时 由于超声光栅的作用 使光束衍射 偏出腔外 激光器损耗很大 Q值极低 不能形成激光振荡 二 声光调Q 在这种情况下 工作物质在光泵浦的激励下 激光上能级的粒子数不断积累 并实现粒子数反转 当反转粒子数达到最大时 突然撤除超声场 衍射效应消失 光路畅通 Q值猛增 迅速形成激光振荡 并且由输出镜输出激光巨脉冲 图是在连续YAG激光器内插入一个声光Q开关器件构成的 声光Q开关器件与一般声光调制器结构相似 也是由驱动电源 电声换能器 声光介质 声吸收器组成的 因为声光Q开关所需要的激励电压较低 小于2kV 所以很容易实现对连续激光器的调Q 连续激光器高重复率调Q过程 声光器件中的超声波可以以行波形式传播 也可以以驻波形式形成超声波场 尽管在同样的衍射效率下 驻波工作方式对超声功率的要求低一些 但由于驻波超声场在声光介质中不易迅速消除 因而开关时间较长 甚至使声光器件失去开关作用 故声光调Q器件均采用行波方式工作 有机染料的可饱和吸收特性是指它对光的吸收呈现非线性 对弱光吸收强 对强光吸收弱 其吸收系数与光强的关系为 三 可饱和吸收染料调Q 式中 是光强为I时的吸收系数 为光强趋于零时的吸收系数 Is为饱和参量 是吸收系数减小到 2时的光强 由该式可见 当光强很强 I Is时 0 吸收趋于饱和 染料对该光呈现透明状态 经常称这种染料状态为 漂白 有机染料的吸收率和透过率与光强的关系如