激光原理-第六章-激光调制技术资料

1、激光原理激光原理-第六章第六章-激光调制技激光调制技术术6.1调制的基本概念1.光调制的意义所谓“调制”，是按照人类应用的需求（以信息的形式出现）对光波进行“调节”与“控制”，从而将信息加载到光波上去。为什么要用光波作为信息载体？转播速度快信息容量大可以用光学系统进行变换,光盘存储可以在透明介质中传输（光纤、水）可以不用介质传输（真空、太空）可独立传播，互不干扰。加载了信号的光波以群速度传播。6.1调制的基本概念2.调制的基本形式按着调制器件和激光器的关系，调制可以分为内调制和外调制。内调制：以调制信号去改变激光器的振荡参数，从而改变激光器的输出特性。改变激光器的泵浦强度改变激光器的腔内损耗外

2、调制：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，会使光波的某个参量发生变化。0.20.40.60.81.01.21.41.51.00.50.51.01.50.20.40.60.81.01.21.41.51.00.50.51.01.50.20.40.60.81.01.21.41.51.00.50.51.01.50.20.40.60.81.01.21.41.51.00.50.51.01.50.20.40.60.81.01.21.41.51.00.50.51.01.50.20.40.60.81.01.21.41.51.00.50.51.01.56.1调制的基本

3、概念3.调制的基本方式单色平面波的表达式为 ，其中 为振幅， 为角频率， 为初始位相。通过改变激光载波的特征参量，可以对激光载波进行调制。调幅振幅调制：使载波的振幅随调制信号的变化而变化。调频频率调制：使载波的频率随调制信号的变化而变化。调相相位调制：使载波的相位随调制信号的变化而变化。强度调制：使载波的光强随调制信号的变化而变化。( )cos()cccce tAtcAcc6.1调制的基本概念(1)振幅调制(AM) 为调制深度，即调幅系数。am1am 调制波形为以信号波为上下对称包络的波形。频域分布( )cos() cos()2 cos()2( )()()2cccaccmcaccmcacccc

4、me tAtmAtmAtmeAA 0.20.40.60.81.01.21.41.51.00.50.51.01.50.20.40.60.81.01.21.41.51.00.50.51.01.50.20.40.60.81.01.21.41.51.00.50.51.01.5( )e0ccmcm( )(1cos)cos()camcce tAmtt6.1调制的基本概念(2)频率，相位调制频率随调制信号变化(FM,PM)初始位相随调制信号变化( )( )( )( )( ) ( ) ( )cos() ( )cossin()ccfccfccfcmmfmfmmccfmctk a ttt dtk a t dtka

5、 t dta tAtk Ame tAtmt( )( ) ( )cos()( )cos() ( )coscos()cccccccttk a ta tAtttk Atmk Ae tAtmt 频率调制和相位调制可以写成统一的形式( )cossin()ccmce tAtmt6.1调制的基本概念 角度调制频率调制和相位调制可统称为角度调制调制波表达式为(Bessel函数)频域分布为c01( )cossin() ()cos() ()cos() ( 1) cos()ccmcccccncmcnncmce tAtmtA JmtAJmntnt 01()() () () () ( 1)()cccncmnncmeA

6、JmAJmnn 0.51.01.52.01.51.00.50.51.01.50.51.01.52.01.51.00.50.51.01.51m cm2cmcm2cm0.770.440.440.110.110.51.01.52.01.51.00.50.51.01.56.1调制的基本概念 (3).强度调制光载波的强度与调制信号成正比，即采用强度调制是因为一般探测器无法直接撤出电场的变化，只能采用平方律探测器，探测光载波的光强变化。在实际运用中，大多数是采用振幅、频率、相位调制达到强度调制的效果。(4).脉冲调制(PIM,PWM,PFM,PPMPIM,PWM,PFM,PPM)(5).空间调制光的传播方

7、向K K发生改变,例如衍射.2( )cAa t6.1调制的基本概念 4.调制的基本方法激光属于振荡频率在10131015Hz的相干电磁波，比无线电波（104108Hz），微波（1091011Hz）的频率高几个数量级，一般的电容电感振荡电路、晶体管振荡电路或者磁控管等调制方法已经无法直接对激光进行调制。对激光进行调制，必须考虑光与物质相互作用中，介质中电偶极子振荡机制，利用介质极化率实部（折射率）的变化，对激光进行调制。根据不同的光与物质相互作用类型，可以表现为电场、声场、磁场对光的控制作用，相对应为电光调制、声光调制和磁光调制。6.2电光调制1.电光效应某些晶体受到外加电场作用，其折射率发生改

8、变，当光通过此介质时，其传输特性发生改变，这种现象称为电光效应。介质的折射率成为外电场的函数，即或 代表Pockel效应，是线性电光效应，只存在于非中心对称介质中（非气体、液体，玻璃等）， 代表Kerr效应，是二次电光效应，存在于所有介质中。一般说来，电光效应的张量形式2( )(0)n EnEE221()EEnE2EE226 33 16 66 16 111()()iijjijkjkiijjijkjkEE EEE Enn 6.2电光调制 (1)折射率椭球(D D,n)对于任意方向入射的光波波矢K K，通过坐标原点O做以K K为法线的平面， 与椭球面相交，交线为一椭圆，该椭圆的两个主轴的方向就是两

9、个相互正交的D D1 1和D D2 2，两个主半轴的长度对应的折射率是n1和n2。“主轴”的意义椭球（圆）方程没有交叉项，称为“主轴化”。K K主轴入射光的偏振态沿主轴分解为主轴分量，出射光的偏振态按主轴分量的相位差相干合成。2222221xyzxyznnn222123456222222111111()()()2()2()2()1xyzyzxzxynnnnnn折射率椭球的一般形式/ /ED6.2电光调制 折射率椭球的矩阵表示形式22222211,2,2,211000 xyznnxyzzyzxxyn1222322224252621()1()1(),2,2,211()1()1()nnnxyzzyz

10、xxynnn 主轴化以后折射率椭球的矩阵表示形式6.2电光调制 (2)Pockel效应电致折射率变化体现为折射率椭球的形变，即主轴的方向与长度发生变化，如果以公式表示可以写成则椭球方程变为任意方向的外加电场为不同的介质有相应的 ， 为6X3矩阵。2312()()iijjiiEnnnxyzEEEEijij22222211,2,2,211000 xyijjznnxyzzyzxxyEn 1,2,3,4,5,6, ,ijx y z6.2电光调制 KDP晶体的Pockel效应KDP晶体为负单轴晶体，四方晶系，nx=ny=no，nz=ne 。KDP晶体的电光系数矩阵 = =外加电场为代入公式1.1中，可以

11、得到由上式可以看出，施加外电场后，KDP晶体的折射率椭球方程中出现了交叉项，说明折射率椭球的主轴发生的转动，变成“非主轴化”。ij5241415263000000000 000000 xyzEEEE2224141632222221xyzxyzxyzE yzE xzE xynnn1.2公式6.2电光调制 KDP晶体的Pockel效应（二）考虑E E Z Z轴，E Ex=E Ey=0，则公式1.2变为如果考虑k/Z Z，则上式在XOYXOY平面为上式出现了交叉项，说明这是一个“非主轴化”的椭圆方程，必然存在新的“主轴”，可以通过坐标变换找到这个新的主轴。2226322221zxyzxyzE xyn

12、nn22632221zxyxyE xynn1.3公式6.2电光调制KDP晶体的Pockel效应（三）一般采用下面的坐标变换代入公式1.3，可以得到要消除交叉项，则有于是，新的“主轴化”方程为由于nx与ny是“外加”电场所致，故x，y主轴称为感应主轴(Induced Principal Axes)。cossinsincosxxyycos(2 )045o2263632211 1 1.4zzooE xEynn公式22221xyyxnn6.2电光调制 KDP晶体的Pockel效应（四）感应主轴的方向相对于原主轴旋转45o。KDP晶体变为双轴晶体。感应主轴的长度感应主轴的长短轴的变化与Ez的正负有关。E

13、z的大小可控制nx与ny的大小。3633631212xoozyoozzennnEnnnEnn331100 632221()znnnEn6.2电光调制 2.电光相位延迟（一）令入射光偏振光波矢K KZ Z轴，光电场方向 轴，入射时按感应主轴分解为 和 两个分量，由于这两个分量对应的折射率不同，因此出射时两个分量之间产生相位差，按相位差合成可得到出射光电场矢量。 与 在经过相同的几何长度L后，两分量的相移分别是： ，于是可以得到 之间的相位延迟为： 受 控制，成为“电控波片”。 002/ 2/xyxxyynnLLkLkL与xEyEyExE3363630002/2()/2/yxozoZyxnnLnL

14、EnVZV/ /EX,yxEE6.2电光调制 电光相位延迟（二）当 时对应的电压成为“半波电压” ：相位延迟也可以写成出射光的偏振态按着 相干合成。 V0/2363/ 2oVVn( )zV tV6.2电光调制 3.出射光的偏振态出射光 是由 相干叠加而成，即为相同频率、相互正交的振动按相位差合成。=45度相位差，偏振方向转动90度。 outE xE yE22222cos()cos(),0 2cossinxxxyyyxxyyxyxxyxyyyxxyzEAtEAtk LEE EEAAEAkEALE12, cos1,sin0 yyxxxmAEEtg EA 等同全波片222212() ,2 cos0,

15、sin1 1 /yxxyxymEEAAAA 正椭圆方程当时为圆方程等同4波片3(21) , cos1,sin0 () 2 45 , 2/ 2yyxxxoutinoxymAEEtgEAEEAA 与夹角为当时，为半波片( )( )zoutzV tEV t 变化变化变化可以人为调节，携带信息6.2电光调制 4.电光体调制器晶体中各处电场均匀（ E(tE(t)与坐标无关），但随时间变化，多用于对激光进行时间性的调制。入射光沿主轴分解的光电场分量受到相位调制，导致出射光合成电场的偏振态变化。 纵向电光调制器（一）如果K KE E，即入射光波矢方向与外加电场方向平行，成为纵向电光调制。以KDP为例，令E

16、EZ Z轴，则令K KZ Z轴，KDP晶体采用Z切割。P1 X X轴， P1 P2。 6.2电光调制 (1)纵向电光调制器（二）系统透过率T分解：沿感应主轴X、Y出射光按相位差 合成 ，偏振态按 由椭圆方程决定。经P2后的光电场为 在P2方向上的投影,由Euler公式:输出光强系统透过率为：022(0)(0)452inxyxyininEEEEEAIEA( )( )outxyEELEL/2( ) cos()( ) cos()244 2( 2 sin(22/ )2iiiyoutxyEELELAeAeeiA 2222sin ()2outyoutIEA222sin()( )sin ()sinsin22

17、2outmmzinIVtV tTIVVoutE 6.2电光调制 纵向电光调制器透过率曲线 思考：如果P1P2X X轴的话，透过率曲线是怎样？6.2电光调制 /4波片对KDP晶体纵向电光调制的作用引入固定相位差 ，其快慢轴与X、Y感应主轴一致，与X轴成45o0/ 2 20sin()1cos()1sin (/ 2)0.5sin()22sin()sin()22mmmmmmVtTVVttV 调制信号电压对线性调制的影响将透过率公式以Bessel函数展开线性调制的判据：当此时可以认为是线性调制，透过率可以化简为： 小结通过两个主轴分量的相位调制（PM）,产生不同相位的延迟，使出射合成的光电场偏振态相对于

18、入射光电场发生改变，经过检偏镜(AM)，可以实现强度调制（IM）。11sin2mmTt311()/5%mradII弧度 时，212n+111()I1()nmmJIJ高次谐波谐波121200.5()sin(21)mnmmmnVTJntV6.2电光调制 (2)横向电光强度调制（一）如果K KE E，即入射光的波矢方向与外加电场方向垂直，成为横向电光调制。横向电光调制有三种方式：E EX X轴，K KX X轴、与Y Y、Z Z轴成45度角。E EY Y轴，K KY Y轴、与X X、Z Z轴成45度角。E EZ Z轴，K KZ Z轴、与X X、Y Y轴成45度角。下面以第三种方式进行讨论6.2电光调制

19、 KDPKDP横向电光强度调制（二）外加电场平行Z Z轴（E EZ Z轴），K KZ Z轴、与X X、Y Y轴成45度角。入射光沿YY轴入射（K KYY轴），偏振方向平分ZOXZOX。入射光在进入晶体时，光电场矢量按Z Z和XX轴分解优点：半波电压与尺寸有关。缺点：相位差中含有常数项。36303063030630033636321()222 12xzoeozzNoxxTNozeTxoozoVnn LnLdn LVnLdn LVnLdnndVnnnEnL 令当时2VVdL纵横0dndT6.2电光调制 消除横向运用中的自然双折射的方法固定全波片法组合调制0022oeoemnnmLnn0363/ 2

20、22oddVVnLL纵横6.2电光调制经过第一块晶体后， 之间的相位差经过第二块晶体后， 之间的相位差总相位差111316322()ezzooynnEnL22316322()2()zyeooznnnEL11(/)zyEE()与22(/)ZyEE()与123063(2/)ZdVLn 1.2电光调制 LN晶体的电光效应（一）LiNbO3晶体为负单轴晶体，nx=ny=no,nz=ne。22132213335151220000000000rjLN2213222213222222223322515111111,2,2,21,2,2,21000yzxoyzyoxijyLNzzzzyEEnnEEnnExyz

21、zyzxxyExyzzyzxxyEnnEE 221xxEE 6.2电光调制 LN晶体的电光效应（二）沿Z Z轴方向加电压（E EZ Z轴，E Ex x=E Ey y=0,E Ez z0）变形后的折射率椭球方程特点：无交叉项，主轴方向不变nx=ny，仍为单轴晶体没有纵向强度调制在Z轴方向加电压的横向运用仍然有自然双折射的影响可以用来进行相位调制222222133322223133331111()()()()1 2 2zzozxzoxyozezeezExyE zxyznnnnnnnnEnnnnE3/ 33021()2x yzoeoVnn LnLd2213222132222332515122111,

22、2,2,21000yzoyzozzyxxEEnEEnxyzzyzxxyEnEEE6.2电光调制 LN晶体的电光效应（三）沿X X轴方向加电压（E EX X轴，E Ez z=E Ey y=0,E Ez z0）变形后的折射率椭球公式绕Y轴将XOZ平面转动角以消除XZ交叉项绕Z轴将XOY平面转动角以消除XY交叉项2213222132222332515122111,2,2,21000yzoyzozzyxxEEnEEnxyzzyzxxyEnEEE2225122222221xxooexyzE xzE xynnn222251512221022xeoxeoeoE n ntgE n nnn222222222 1

23、xooexyzE x ynnn222222451oxyzxyznnn3223221212xooxyooxnnnEnnnE32202oxyxnLVd6.2电光调制LN晶体的电光效应（四）沿Y Y轴方向加电压（E EY Y轴，E Ex x=E Ez z=0,E Ey y0）变形后的折射率椭球公式绕X轴转动YOZ平面角主轴近似没有转动2213222132222332515122111,2,2,21000yzoyzozzyxxEEnEEnxyzzyzxxyEnEEE22222225122211()()21yyyooezExEyyzEnnn3223221212xooyyooynnnEnnnE512222

24、22222222222 201111 () ()01yyooyyooeEtgEnnzxEyEnnn32202oxyynLVd6.2电光调制 GaAs晶体的电光效应（一）GaAs为立方晶系，nx=ny=nz=no,光学各向同性。414141000000000000000rjGaAs22222222222241414111111,2,2,21,2,2,21000 xoyoxijyGaAsozzxyznnnnExyzzyzxxyExyzzyzxxynnEEEE 1 222222414141111,2,2,21oooxyznnxyzzyzxxynEEE6.2电光调制 GaAs晶体的电光效应（二）沿X

25、X轴方向加电压（E EX X轴，E Ez z=E Ey y=0,E Ez z0）变形后的折射率椭球公式绕X轴转动YOZ平面角消除YZ交叉项， 类比KDP可知=45o，椭球方程变为：光波沿ZZ轴传输，K KZZ轴， 消除了自然双折射2224121()21xoxyzyzEn2224141222334141111 () () 111, , 22xxoooxoyooxzooxxEyEznnnnnnnnEnnnE300410341021 ()2 xyoxoxnnnE LnLVd6.2电光调制 5.电光相位调制Ein感应主轴无检偏装置偏振状态不发生改变边频振荡间隔等于外加电压的频率0.51.01.52.0

26、1.51.00.50.51.01.50.51.01.52.01.51.00.50.51.01.56.2电光调制 (6)电光调制晶体的性质非中心对称晶系,大的对载波透明度高， 吸收和散射损耗小，晶体折射率均匀物理化学性能稳定激光损伤阈值高ij00/8.85/rC Q VA dPF M 6.3声光调制1.声光效应介质中声波和光波相互作用声波是一种弹性波（纵向应力波）。光波是电磁波。声波的波动方程为方程通解为：取沿X轴正向传播的特解：光在有声波存在的介质中传播有什么样的变化？222221() ( , )0sa x txt( , )()()ssa x tftxgtx( , )sin()ssa x tA

27、tk x6.3声光调制(1)弹光效应介质发生弹性形变，介质密度发生改变，造成介质折射率发生改变。(2)相位光栅折射率呈空间周期性变化，形成相位光栅。当光波通过折射率周期分布的介质时会发生什么现象？21()( , ) ,1,26iijjP Sx ti jn3311( , )22 c( ,s()omssn x tn Pn Pntk xaS x tx 6.3声光调制 (3)声行波场相位光栅以s的速度运动。由于声速远远小于光速，可以近似认为相位光栅固定。 (4)声驻波场两列频率相同，方向相反的行波相叠加形成的。( , )sin()ssa x tAtk x( , )sin()sin() 2cos()si

28、n() () sssssska x tAtk xAtxAtk x6.3声光调制当光波通过折射率周期分布的介质时会发生什么现象？上式说明声驻波场形成的相位光栅是随时间变化的，体现了光电场调制的时间调制。声驻波场的时间调制t0=0时，有一套相位光栅t1=/s时，出现另一套相位光栅。t2=2/s时，又出现一套相位光栅。时间周期为/s=Ts/2,调制角频率为2s。0,1级衍射光都将出现边频2fs。( , )cos()cos()mssa x tnnk xtx 0.51.01.52.01.00.50.51.006.3声光调制2.Raman-Nath衍射Raman-Nath衍射产生条件面光栅，声光弱相互作用

29、。低频超声波。声光互作用长度L较短光波正入射。Raman-Nath衍射特点远场光分成一组衍射光。衍射角由 决定。各级衍射光对称分布。衍射光强各级衍射光光强之和等于入射光强。0级光光强最强，衍射效率低。imsm 2( )mmIJ 6.3声光调制3.Bragg衍射Bragg衍射特点体光栅，声光强相互作用声波频率较高声波波阵面对光波呈现部分“反射”和“透射”光波斜入射，入射角为Bragg角。衍射光只有0级，+1级或或-1级。(1)各向同性介质的Bragg公式(a)同一波阵面衍射光的干涉增强条件要满足同一波阵面衍射相干增强条件，有对整个波阵面都成立（对任意x都成立），有 (cos,cos)idACBDACxBDxid6.3声光调制(b)相邻波阵面波阵面衍射光的干涉增强条件当m=1，为Bragg公式0()(sinsin)sidn FEEGnm0002sinsin222sBsBsssnkfnnk6.3声光调制(2) Bragg衍射的粒子模型正常Bragg衍射将光束看做是光子流，声场看做是声子流，则声光作用可以看做是光子与声子之间的粒子碰撞，需要满足动量和能量守恒：异常Bragg衍射 ，因此不再是等腰三角形。 (isdidididsisdisdkkk kkkkkkkk ， 和 之间构成等腰三