激光测量第一章

1.6激光调制技术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。当前1页，总共84页。1.6激光调制技术※激光作为信息载体的优点：易于调制、可利用的频带宽、传输信息的容量大……；调制及其分类激光调制——将信息加载于激光的过程；激光调制器——完成将信息加载于激光过程的装置；激光——载波（Carrier），携带信息的载体；

起控制作用的信号（低频信号）——调制信号；被调制的载波——已调波或调制光Modulatedwave；当前2页，总共84页。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。当前3页，总共84页。内调制：

加载调制信号是在激光振荡过程中进行的，即以调制信号来改变激光器的某一参数，从而改变激光的输出特性

改变激光器的泵浦强度改变激光器的腔内损耗当前4页，总共84页。外调制：激光形成之后进行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就会使光波的某参量随着调制信号而变化当前5页，总共84页。典型的模拟式调制

单色平面波的表达式为

通过改变激光载波的特征参量，可以对激光载波进行调制。1.调幅→振幅调制：使载波的振幅随调制信号的变化而变化。2.调频→频率调制：使载波的频率随调制信号的变化而变化。3.调相→相位调制：使载波的相位随调制信号的变化而变化。4.强度调制：使载波的光强随调制信号的变化而变化。当前6页，总共84页。设激光的瞬时电场强度为则光强度为设调制信号为

幅值调制为:

强度调制为:

频率调制为:

相位调制为:M,调幅系数，Mi强度调制系数,Mf调频系数,Mp调相系数其中M,Mi远小于1当前7页，总共84页。

典型的模拟式调制一、振幅调制——激光光波的振幅随着调制信号的变化规律而变化。激光光波的瞬时电场强度：为振幅；为角频率；为相位角(初相位)；

总相角；

当前8页，总共84页。振幅调制时，不再是常数，而是与调制信号成比例的函数。k为比例系数，为调制信号；

为调制信号的振幅，为角频率；当前9页，总共84页。载波调制信号调制光当前10页，总共84页。①调幅波的包络线的形状和调制信号一致；②载波频率维持不变；③振幅较之未调制波多了一个与调制信号成比例的增量。由图可知：“调幅系数”调幅振荡中振幅最大增量与振幅平均值之间的比值。当前11页，总共84页。当调制系数>1时，调制波就要发生畸变；当调制系数＝1时，称为100％的调制。调幅的结果使调幅波不再是一个简单的正弦波，根据傅立叶频谱分析，它可分解为不同频率的正弦波之和。由上述讨论可知：将记为，由于，则调幅波表达式可写为：

当前12页，总共84页。二、频率调制和相位调制——激光载波的频率或相位受调制信号的控制而按其规律变化。

这两种调制波都表现为总相角的变化，因此统称为角度调制。

①频率调制——角频率不再是常数，而是一个与调制信号成比例的时间函数

当前13页，总共84页。是由调制信号决定的频率偏移。调制波的总相角：

为比例系数；为调制信号；当前14页，总共84页。若调制信号为正弦变化，

并令则当前15页，总共84页。调频波的表达式：

调频系数，可取任意值；②相位调制——调制波的相位多了一个与调制信号成比例的增量；

当前16页，总共84页。总相角：

若调制信号为正弦变化，

并令调相系数；则有调相波的表达式：当前17页，总共84页。调频或调相波的频谱

——可以分解成若干不同频率的正弦波之和。调频和调相波的统一形式：

当前18页，总共84页。由以上讨论，可得出下述结论：①在正弦调制下，调频和调相皆为等幅的变周期振荡，且表达式在形式上相同；②两者的区别：a.两者的调制方法不同；b.调频系数和调相系数的性质不同；调频：单模激光器调腔长；调相：电光晶体调Q

。（在非正弦调制下，两者不同，此时可以看出调频与调相的差别）当前19页，总共84页。角度调制当前20页，总共84页。三、强度调制——光载波电场振幅的平方与调制信号成比例，。——输出的激光辐射强度按照调制信号的规律变化。

当前21页，总共84页。激光调制通常多采用强度调制形式。原因在于：光接收器（探测器）一般直接响应其所接收的光强度变化。

光载波的强度定义为电场的平方，

因此，有调制光强：为比例系数；当前22页，总共84页。若调制信号为正弦变化，

强度调制系数

此时有，

这是当调制系数时，比较理想的光强调制公式。当前23页，总共84页。调制方法

（一）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。当前24页，总共84页。

调制方法电光调制

（一）原理电光效应：某些材料在外加电场的作用下，其折射率发生变化Xyz光轴偏转45度，主折射率分裂为：线偏振光分裂为两束线振光，X’，y’方向相位差为

当前25页，总共84页。当一束线偏振光沿着Z轴方向射入晶体，且E矢量沿X方向进入晶体（Z＝0）即分解为沿和方向的两个垂直偏振分量。

当前26页，总共84页。当它们经过长度L之后，所走的光程分别为和。——快光

——慢光

电光相位延迟当前27页，总共84页。电光调制相位差Δφ与所加电压v成正比，通常称为线性电光效应或Pockels效应一般把引起π相位差的电压作为电光材料的性能：称为半波电压，Vπ或者Vλ/2表示

当前28页，总共84页。（二）电光强度调制

1.△纵向电光调制器

纵向电光效应：电场方向与通光方向一致；核心部件当前29页，总共84页。光强调制Kdp引起相位¼波片：π/2

当前30页，总共84页。2.电光相位延迟

以KDP类晶体Z向加压，光波沿Z方向传播为例：

起偏当前31页，总共84页。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当前32页，总共84页。三、声光调制Raman-Nath声光衍射Bragg衍射当前33页，总共84页。四、磁光调制

原理:

法拉第旋光效应:线性偏振光经过磁性介质后,投射光偏振方向 会发生偏转φ(t)=φsLH

rf

HDCsinωt当前34页，总共84页。五、电源调制/直接调制定义:直接将调制信号加载于激光电源，从而使激光器发射的激 光强度或激光脉冲参数随调制信号而变化的调制，称为电

源调制成直接调制当前35页，总共84页。六、干涉调制迈克耳逊干涉仪调制光强当前36页，总共84页。半导体激光器半导体激光器的基本结构当前37页，总共84页。半导体激光器的基本特性半导体激光器当前38页，总共84页。半导体激光器的基本特性半导体激光器当前39页，总共84页。半导体激光器的基本特性半导体激光器当前40页，总共84页。激光技术发展简史之一美国休斯公司实验室一位从事红宝石荧光研究的年轻人梅曼在利用红宝石棒首次观察到激光；梅曼在7月7日正式演示了世界第一台红宝石固态激光器；他在Nature(8月16日)发表了一个简短的通知。Maiman当前41页，总共84页。激光技术发展简史之一Maiman的第一台激光器当前42页，总共84页。当前43页，总共84页。中国第一台激光器（1961）当前44页，总共84页。我国激光器研究情况激光器的第一台研制成功时间研制人红宝石激光器（我国第一台)1961年11月邓锡铭、王之江He-Ne激光器1963年7月邓锡铭等掺钕玻璃激光器1963年6月干福熹GaAs同质结半导体激光器1963年12月王守武CO2分子激光器1965年9月王润文等当前45页，总共84页。激光技术发展简史之三激光应用技术信息技术方面的应用：光通讯，光存储，光放大，光计算，光隔离器检测技术方面的应用：测长，测距，测速，测角，测三维形状激光加工：焊接，打孔，切割，热处理，快速成型医学应用：外科手术，激光幅照（皮肤科、妇产科），眼科手术，激光血照仪，视光学测量科学研究方面的应用：激光核聚变，重力场测量，激光光谱，激光对生物组织的作用，激光制冷，激光诱导化学过程等等当前46页，总共84页。当前47页，总共84页。当前48页，总共84页。光盘存储器原理—激光刻蚀与读出当前49页，总共84页。激光全息防伪人民币（建国50周年纪念币）当前50页，总共84页。激光显示重庆三峡广场----水幕激光Video当前51页，总共84页。激光陀螺仪当前52页，总共84页。

激光加工与热处理

激光焊接、切割、打标、表面处理和工业机器人结合，为未来的制造业提供先进的、精密的、灵巧的特殊加工工具Video1Video2当前53页，总共84页。激光眼科治疗当前54页，总共84页。激光嫩肤激光脱毛激光去斑激光点痣激光美容激光嫩肤激光去斑激光脱毛 激光点痣当前55页，总共84页。黄钟律管累黍造尺

激光精密测量从开始有测量的时间起，才开始有科学。没有量度，精密科学就没有意义。

——门捷列夫黄钟律管累黍造尺当前56页，总共84页。米定义的三次变更当前57页，总共84页。一、飞行时间法二、真空波长法三、稳频激光器米定义的复现一、飞行时间法二、真空波长法三、稳频激光器当前58页，总共84页。飞秒激光的典型应用——微纳米加工当前59页，总共84页。纳米牛Ti:S780nm,150fs,76MHz1.4NA高倍显微物镜聚焦SCR500resin(JSR,Japan)+urethaneacrylate(尿脘丙烯酸脂）光聚合分辨率120nm牛尺寸10μm×7μmNature,Vol.412,697.2001（H.B.Sunetal))当前60页，总共84页。当前61页，总共84页。纳米弹簧a.原始状态b.伸展状态c.阻尼振荡恢复曲线当前62页，总共84页。功能器件匈牙利科学院PeterGalajda，A.P.L,vol.78,2001当前63页，总共84页。飞秒高速摄影光源：飞秒激光时间分辨率：163ns

重复频率：6.1MHz快门速度：440ps当前64页，总共84页。激光核聚变可控核聚变磁约束核聚变惯性约束核聚变托卡马克

激光核聚变 粒子束核聚变 电流脉冲核聚变当前65页，总共84页。激光核聚变的四个阶段当前66页，总共84页。

激光武器直接利用高度集中的激光能量对敌人和敌人的武器进行杀伤、破坏的武器。

特点：

1）不需计算弹导，“指哪打哪”。

2）不需计算提前量，“说时迟，那时快”。特

别适合攻击高速运动的目标。

3）无后座之扰；

4）不受电子干扰。Laser局限：

受天气影响，云雾、雨雪都有是激光难以逾越的障碍。当前67页，总共84页。聚焦、光学激光束跟踪系统高能激光束目标探测器 升降机发散角0.01毫弧度，跟踪精度1’’发射望远镜直径1m。安装在15米高的望远镜上。激光排气/热激光器激光燃料箱据称可破坏10公里外的低空直升

飞机的蒙皮和20

公里远的红外制

导导弹和光学传 感器前西德高能激光防空坦克当前68页，总共84页。激光控制核聚变当前69页，总共84页。天文台（激光导航星）来自纳层的反射光（高度约100km)最大高度约35km来自空气分子的Rayleigh光当前70页，总共84页。激光测距与激光雷达当前71页，总共84页。激光切割当前72页，总共84页。长度测量当前73页，总共84页。生物和医学应用当前74页，总共84页。飞秒激光的典型应用——微纳米加工当前75页，总共84页。纳米牛Ti:S780nm,150fs,76MHz1.4NA高倍显微物镜聚焦SCR500resin(JSR,Japan)+urethaneacrylate(尿脘丙烯酸脂）光聚合分辨率120nm牛尺寸10μm×7μmNature,Vol.412,697.2001（H.B.Sunetal))当前76页，总共84页。当前77页，总