第三章-光束的控制

1、第三章第三章 光束的控制光束的控制光束的控制，就是用信息信号对激光辐射进行作用。分类：l根据调制的参量：振幅调制；频率调制；相位调制；光偏转l根据位置：腔内调制；腔外调制 3.1 改变激励电流的内调制改变激励电流的内调制l电灯泡等热发光器件，热变化慢，调制频率低l激光器的调制频率与能级寿命有关lAr+激光4GHz；He-Ne激光1MHz；CO2激光几KHz；Nd:YAG激光几KHzl半导体激光和发光二极管调制频率取决于载流子寿命。电流越高，寿命越短，频率越高l微波+直流46GHzl脉冲编码l脉冲位置调制PPMl脉冲宽度调制PWM3.2 改变激光谐振腔参量的内调制改变激光谐振腔参量的内调制原理：

2、1.改变光学介质的折射率电光；声光；磁光 2.改变谐振腔的Q值：调Q技术 3.使各纵模相干叠加：锁模技术3.2.1 激光的腔内电光调制激光的腔内电光调制l电光效应：某些晶体在外加电场的作用下，折射率发生变化的一种现象l介质在平行于外加电场方向上产生一附加主轴，使入射光产生o光和e光两分量，其折射率不同，传输速度不同，形成光程差nl，感生相移2/ nl,l正比于V2，克尔效应；l正比于V，普克尔效应克尔克尔Kerr效应效应l光轴：光沿这个方向传播时，折射率与偏振无关l晶体的双折射： (平面偏振)光束入射到晶体内，分解为:(a)寻常光(o光，平行于光轴)； (b)非常光(e光，垂直于光轴)l正晶体

3、none lnone vo ve产生光程差nl 相移 偏振态改变l克尔效应：外加电场 附加主轴 o光和e光产生光程差L =nl=JlV2/d2 lJ:克尔系数。硝基苯的克尔系数大。普克尔普克尔Pokels效应效应l普克尔效应是线性电光效应: Vl横向普克尔效应E k dVnl30l纵向普克尔效应E kVn302普克尔普克尔电光效应电光效应l用折射率椭球可以描述各向异性晶体的光的传播特性1222222zyxnznynxl单轴晶体中12e22o22o2nznynxlOP传输光，作一垂直于OP的面，截得一椭圆，其长短轴大小分别表示两个偏振向的折射率l对晶体加电压后，折射率椭球的形状、大小、方位均发生

4、变化。普克尔普克尔电光效应电光效应lKDP(KH2PO4)晶体外加电压lZ向加电压，E=Ez0,Ex=Ey=0l变换后2/2/6330063300zyzxEnnnEnnnl新的椭球在x-y平面内旋转45 ，电感应主轴x ，y 普克尔普克尔电光效应电光效应lz轴方向射到晶体上的光是x(或y) 线偏振光l未加电压时，晶体对各个方向振动沿z轴传输的光的折射率都相同（为no），因而光通过晶体后不改变偏振态lz轴方向加电压后，折射率椭球变形，感应主轴方向x和y方向转了45，且感应主折射率变为nx和ny，x（或y）偏振光就分解为x和y方向二个偏振分量，射出晶体时两者就有位相差VnnnLoo633z6332

5、EL22l（3.2.3）式。偏振方向发生改变。横向加电压类似激光的腔内电光调制激光的腔内电光调制l具有一定位相差的互相垂直的两个线偏振光，合成后偏振态取决于。一般为椭圆偏振光。=/2时，变为圆偏振光。=时，仍是线偏振光，但偏振方向旋转了90。所加的电压称为半波电压，用V或V/2 表示l激光腔内放置普克耳盒，外加电压使偏振发生偏转，调制光通过布氏窗反射出去6332/2onV3.2.2 Q调制调制l调Q原理Q值定义：P34)dW/dt-W(0Q泵浦时：Q值很低，振荡阈值很高，粒子数反转，但没有激光振荡输出粒子数反转达到峰值，Q值突然增加，振荡阈值急降，振荡场迅速增长，输出巨脉冲(ns)。脉冲泵浦下

6、的调脉冲泵浦下的调Q过程过程Q调制调制lQ开关：快门l实现Q开关作用两个重要条件l泵浦速率快于上能级的自发跃迁速率lQ开关动作快。10nsl调Q技术l电光调Q：克尔效应，普克尔效应l染料调Q 可饱和吸收l声光调Ql转镜调Q电光电光Q调制调制l电光Q开关：克尔盒或普克尔盒加电场l晶体上加电压，偏振片产生的线偏振光入射，后变成圆偏振，经反射镜后再经过晶体，再旋转成为线偏振，但偏振方向差90 ，不能通过偏振片，这时是低Q状态，高阈值，激光不能振荡。电压为0时，高Q低损低阈值3.2.2 锁模锁模l多纵模运转时，各纵模振幅和相位相差很大l锁模(锁相)：锁定各纵模相位。可获得一系列脉冲输出(ps,fs)。

7、l超短脉冲可研究基本物理问题1. 锁模原理锁模原理l假设(2N+1)个纵模，振幅E0相同，位相锁定如下：)(0)(000002/ )sin(2/ )(12sin()(tiqqNNqqtqiettNEeEtEqqqqLc0q,q ,=-0q1 -qql光波总电场l其中锁模原理锁模原理l2N+1个模式经过锁定以后，总的光波场变为频率为v0 的单色调幅波，振幅A(t)即总光波场受到振幅调制l振幅A(t) 是随时间变化的周期函数，光强A(t)2 ，也是时间的函数,光强受到调制。分母为0时，振幅得到极大值。两个相继脉冲时间间隔)(0002/ )sin(2/ )(12sin()(tiqqettNEtEcL

8、22ql此时振幅(2N+1) E0，峰值功率较高，正比于(2N+1)2 E0 2 ，一般非均匀加宽激光器，各模式相位随机，功率正比于(2N+1) E0 2l=1 /，非均匀加宽带宽越大，谱线越窄2.锁模方法锁模方法l锁模激光器可理解为腔内往返传输的一个光脉冲，也可理解为聚集在一起的光子包束在反射镜之间来回反射l主动锁模腔内加一受外加信号驱动的主动调制器，产生频率为q并随时间按正弦变化的损耗。激光介质声光器件全反镜输出镜激光2.锁模方法锁模方法l被动锁模腔内加一可饱和吸收染料。漂白l主动锁模稳定性和重复性好，波长范围宽，脉宽宽；被动锁模稳定性和重复性差，波长范围窄，脉宽窄。l可采用主动锁模和被动

9、锁模相结合的技术。激光介质染料盒 全反镜输出镜激光3.3用电光晶体的外调制用电光晶体的外调制3.3.1 电光振幅调制2/2/6330063300zyzxEnnnEnnn起偏器偏振x方向，检偏器偏振y方向，z=0处，x方向上光频信号分解x ,y方向检偏器偏振y方向输出是ex (L)和ey (L)在y向的分量之和) 1(2/)(0iyeAE)2/(sin2*)()(22000AEEIyy)2/(sin/20iIIT3.3.1 电光振幅调制电光振幅调制输出光强光强透过率z=0处，x方向上光频信号分解在x ,y方向晶体的入射光强Iiee*=2A2设ex (0)=ey (0)=Az=L处 设ex(L)=

10、A, ey(L)=Ae-i相移zxyVnLnn6330/2)(/2)2/(V6330nVV /)(sin)2(sin633022VnVVTTV曲线中，在V /2或V/4处有一近似线性区。需要加/2偏置，a.加直流电压。b.插入/4波片=的外加电压称半波电压，V 或V/2则于是2/2/6330063300zyzxEnnnEnnn调制信号Vmsinmt m=Vm/V则)sin2(21sin)sin2(21sin22tVtVTmmmm)sin1 (21)sinsin(1 21ttTmmmm3.3.1 电光振幅调制电光振幅调制其中m1，输出光强的变化与调制信号成近似线性关系。简化3.3.2 电光相位调

11、制电光相位调制l起偏器x(或y)方向lz=0 入射光信号l偏置电场lZ=L 出射光信号tAteicos)(ttEtEmmzsin)()()sin2(cos)2(cos)(63300633000LtEnnctALEnnctAtemmz略去相角常数项调相指数sincos)(0ttAtemp/2/63306330LEncLEnmmp3.3.2 电光相位调制电光相位调制l光信号p相位受到的调制，实质也是频率调制。经电光调制后，出射光频信号除原有的频率光之外，还有 m, 2m等边频光。3.4 声光效应的外调制声光效应的外调制l声光效 应：超声波在声光介质中传播时引起介质密度交替的变化，折射率也会发生相应

12、变化，产生相位光栅。光波通过时就会被介质中的弹性波所衍射。l声波在介质中形成行波驻波l声光调制的两种基本途径l喇曼-奈斯衍射l布拉格衍射喇曼喇曼-奈斯衍射奈斯衍射l光束平行于声波波面入射，0，1级衍射出射，由光阑+透镜，再组合成一平面波面l改变声频改变衍射角改变1级衍射光强弱，达到调制的目的布拉格衍射布拉格衍射l声波波长s，速度vs；光波波长，入射角il同一面上两条光线衍射l只能m=0, i = r/n m)cos-x(cosri布拉格衍射布拉格衍射l相邻波平面反射光衍射/n sin 2BslB = i = rlB较小，衍射效率高，可以全部以1级衍射出射l声光栅运动，衍射光产生多普勒频移c/n

13、sin2c/n2Bss3.4 声光效应的外调制声光效应的外调制l声光调制器2sin2sin)2(21sins36223221InPLPSLnnLIIsil其中P为光弹性系数，S为声应变振幅l为工作液体密度，Is为声强度l声光调制曲线与电光调制相同32ssIS3.5 光束的偏转光束的偏转 电光偏转电光偏转l折射率分布xDnnxn/)(nnL)()(ncLnncLncTTncyBAdxdnnLDnnLDyr/nrrsin/sinDnLdxdnLnrrlA、B两条光线传输产生光程差l晶体内输出面上偏转角l折射定律lr1得zBzAEnnnEnnn63300633002/12/1zrEnDLDnL6330zrELnN2/