第六讲-激光技术一：-激光调制教学课件

第六讲第六讲 激光技术一：激光技术一：激光激光调制调制激光的调制技术和传输技术；激光的调制技术和传输技术；调调Q技术；技术；锁模技术；锁模技术；选模技术；选模技术；稳频技术。稳频技术。各种激光技术就是要改善和提高激光性能。各种激光技术就是要改善和提高激光性能。主要有以下几个方面：主要有以下几个方面：6一、光波的调制一、光波的调制调制的基本概念调制的基本概念 激激光光是是一一种种频频率率更更高高的的电电磁磁波波，它它与与以以往往的的电电磁磁波波（收收音音机机、电电视视等等）一一样样可可以以用用来来作作为传递信息的载波。为传递信息的载波。由由激激光光“携携带带”的的信信息息(包包括括语语言言、文文字字、图图像像、符符号号等等)通通过过一一定定的的传传输输通通道道(大大气气、光光纤纤等等)送送到到接接收收器器，再再由由光光接接收收器器鉴别并还原成原来的信息。鉴别并还原成原来的信息。7将信息加载于激光的过程称之为调制，将信息加载于激光的过程称之为调制，完成这一过程的装置完成这一过程的装置称为调制器。其中激光称为载波，起控制作用的低频信息称称为调制器。其中激光称为载波，起控制作用的低频信息称为调制信号。为调制信号。将调制信号还原成原来的信息的过程称之为解调。将调制信号还原成原来的信息的过程称之为解调。光调制光调制改变光波的改变光波的振幅、强度、频率、相振幅、强度、频率、相位、偏振等参数，使之位、偏振等参数，使之携带信息的过程。携带信息的过程。在光电子学中多采用电在光电子学中多采用电光调制、声光调制和磁光调制、声光调制和磁光调制。光调制。8（一）等幅光信号的频谱（一）等幅光信号的频谱定域单色光频信号可表示为定域单色光频信号可表示为由多个正弦信号组成的光信号可表示为由多个正弦信号组成的光信号可表示为9（二）光信号的幅度调制（二）光信号的幅度调制（AM）幅度调制幅度调制 光信号的幅度按照调制信号发生变化。光信号的幅度按照调制信号发生变化。单频调幅光波单频调幅光波其中，其中，为调制波角频率；为调制波角频率；MA为调幅系数，其值在为调幅系数，其值在0 1之间。之间。一般情况下，一般情况下，调幅光信号的频谱可通过傅里叶分析得到调幅光信号的频谱可通过傅里叶分析得到1011（三）光信号的频率调制（三）光信号的频率调制（FM）频率调制频率调制 光信号的频率按照调制信号发生变化。光信号的频率按照调制信号发生变化。频率调制的光信号可写为频率调制的光信号可写为设设 f(t)为单频信号，即为单频信号，即则调频光信号可写为则调频光信号可写为其中其中 Mf 为调频系数，为调频系数，为最大频率偏移量。为最大频率偏移量。12通过分析可知，调频光信号的频谱由光载频与无穷对通过分析可知，调频光信号的频谱由光载频与无穷对边频组成，边频在载频两侧对称分布。还应该注意，边频组成，边频在载频两侧对称分布。还应该注意，下边带中的奇次级边频与载频反相。下边带中的奇次级边频与载频反相。虽然理论上调制光信号的频谱具有无限的带宽，但其虽然理论上调制光信号的频谱具有无限的带宽，但其大多数能量集中在有限的主带中，一般主带宽度可表大多数能量集中在有限的主带中，一般主带宽度可表示为示为13（四）光信号的相位调制（四）光信号的相位调制（PM）相位调制相位调制 光信号的相位按照调制信号发生变化。光信号的相位按照调制信号发生变化。相位调制的光信号可写为相位调制的光信号可写为设设 f(t)为单频信号，即为单频信号，即则调频光信号可写为则调频光信号可写为其中其中 为调相系数。为调相系数。14光信号表达式中的角度量实际上光信号表达式中的角度量实际上是由是由频率项频率项和和相位项相位项组成的，因组成的，因此对频率或对相位进行调制，都此对频率或对相位进行调制，都起着调角的作用，故可统称为角起着调角的作用，故可统称为角度调制。度调制。15（五）光信号的脉冲调制（五）光信号的脉冲调制脉冲调制脉冲调制 用周期性脉冲序列作为载波，使载用周期性脉冲序列作为载波，使载波受调制信号的控制而传递信息。波受调制信号的控制而传递信息。脉冲调制的形式主要有：脉冲调幅脉冲调制的形式主要有：脉冲调幅(PAM)、脉冲、脉冲调频调频(PFM)、脉冲调相、脉冲调相(PPM)、脉冲调宽、脉冲调宽(PWM)等。等。16周期脉冲序列载波周期脉冲序列载波17（六）光信号的脉冲编码调制（数字调制）（六）光信号的脉冲编码调制（数字调制）脉冲编码调制脉冲编码调制 先把模拟信号变换成脉冲序列，先把模拟信号变换成脉冲序列，进而再变成代表信号的代码来传递信息。进而再变成代表信号的代码来传递信息。实现脉冲编码调制有三个步骤：抽样、量化和编码。实现脉冲编码调制有三个步骤：抽样、量化和编码。18二、电光调制二、电光调制双折射双折射 各向异性晶体中，不同方向具有不同的折射率。因此而使入各向异性晶体中，不同方向具有不同的折射率。因此而使入射光分解为寻常光与非常光的现象称为双折射。射光分解为寻常光与非常光的现象称为双折射。电光效应电光效应某些晶体材料的折射率因外加电场而发生变化的现象。某些晶体材料的折射率因外加电场而发生变化的现象。线性电光效应（线性电光效应（Pockel 效应）效应）二次电光效应（二次电光效应（Kerr 效应）效应）纵向电光效应纵向电光效应外加电场与光传输方向一致；外加电场与光传输方向一致；横向电光效应横向电光效应外加电场与光传输方向垂直。外加电场与光传输方向垂直。19沿沿KDP晶晶体体光光轴轴方方向向施施加加电电场场后后，根根据据晶晶体体光光学学理理论论，在在垂垂直于电场方向的平面上，存在着两个互相垂直的主振动方向。直于电场方向的平面上，存在着两个互相垂直的主振动方向。用用一一束束线线偏偏振振光光垂垂直直入入射射到到晶晶体体中中，若若光光振振动动方方向向与与晶晶体体的的主主振振动动方方向向成成 45夹夹角角，这这束束偏偏振振光光将将被被分分解解成成两两个个振振幅幅相相等等、互互相相垂垂直直的的线线偏偏振振光光，它它们们在在晶晶体体中中传传播播方方向向虽虽然然相相同同，但但传传播播速速度度不不一一样样，所所以以从从厚厚度度为为 l 的的晶晶体体中中出出射射后后，这这两两束束线线偏振光将有一个固定的相位差。偏振光将有一个固定的相位差。纵向电光幅度调制纵向电光幅度调制20相位差相位差其其 中中 no KDP晶体中寻常光晶体中寻常光(o光光)的折射率的折射率Ez 外加在外加在 z 轴上的电场强度轴上的电场强度得到得到U 是加在是加在 z 轴方向的电压轴方向的电压 电光系数，是一个与晶体的取向有关的量电光系数，是一个与晶体的取向有关的量 21在晶体的入射表面上，入射光场平行于在晶体的入射表面上，入射光场平行于 x，与电致双折射轴，与电致双折射轴 x 和和 y 均成均成 45角，所以在这两个方向上存在相等的同相角，所以在这两个方向上存在相等的同相位分量，可表示为位分量，可表示为入射光强度入射光强度22从出射表面得到的从出射表面得到的 x 和和 y 分量则为分量则为在在 y 方向的总光场为方向的总光场为对应的出射光强度为对应的出射光强度为23电光晶体的透过率电光晶体的透过率由前面由前面(3)式已经知道式已经知道即对于某一波长的激光，其透过率即对于某一波长的激光，其透过率T与外加电压成正弦与外加电压成正弦平方关系。平方关系。通常把相位差与外加电压的关系表示为通常把相位差与外加电压的关系表示为其中其中 为产生数值为为产生数值为 的相位差所需要加的外电压。的相位差所需要加的外电压。24在在 的条件下，把的条件下，把(10)式代入式代入(9)式，可得：式，可得：可见，输出光强度调制是电压可见，输出光强度调制是电压 的线性复制。的线性复制。取取对应有对应有251221334455U26 钛扩散铌酸钛扩散铌酸锂电光效应锂电光效应调制器：调制器：工作频率工作频率16GHz,最大调制电最大调制电压压 20V27超声波在介质中传播时，将引起介质密度疏密交替地变超声波在介质中传播时，将引起介质密度疏密交替地变化，其折射率也将发生相应的变化。因此，对于入射光化，其折射率也将发生相应的变化。因此，对于入射光波而言，存在超声波场的介质可视为一个光栅，光栅常波而言，存在超声波场的介质可视为一个光栅，光栅常数等于声波波长。数等于声波波长。声光调制器利用衍射光声光调制器利用衍射光的性质来实现光的调制的性质来实现光的调制和偏转。和偏转。入射光被超声光栅衍射，衍射光的强度、频率和方向都入射光被超声光栅衍射，衍射光的强度、频率和方向都随超声场而变化。随超声场而变化。（一）声光效应（一）声光效应三、声光调制三、声光调制28声波在介质中传播分为声波在介质中传播分为行波行波和和驻波驻波两种形式。两种形式。行波行波形成的超声光栅在空间是移动的，介质折射率的瞬时形成的超声光栅在空间是移动的，介质折射率的瞬时空间变化可表示为空间变化可表示为其中，其中，为声波的角频率；为声波的角频率；为声波的波数。为声波的波数。驻波驻波形成的超声光栅是固定在空间的，可以认为是两个相形成的超声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，介质折射率随时间的变化可表示为向行波叠加的结果，介质折射率随时间的变化可表示为29（二）布拉格衍射（二）布拉格衍射当声波频率较高，声光作用长度当声波频率较高，声光作用长度 L 较大时，如果光线与声较大时，如果光线与声波面之间的角度满足一定条件，将产生布拉格衍射。波面之间的角度满足一定条件，将产生布拉格衍射。1、布拉格衍射条件布拉格衍射条件光子（声子）的能量为光子（声子）的能量为光子（声子）的动量为光子（声子）的动量为声光相互作用满足能量及动量守恒声光相互作用满足能量及动量守恒设设 、和和 分别是入射光、衍射光和声波的角频率，分别是入射光、衍射光和声波的角频率，、和和 分别是它们的波矢量。分别是它们的波矢量。30布拉格衍射动量三角形布拉格衍射动量三角形由动量三角形可推出布拉格衍射条件为由动量三角形可推出布拉格衍射条件为312、布拉格衍射效率布拉格衍射效率布拉格衍射的零级和布拉格衍射的零级和一级光强度分别为一级光强度分别为（Us 是光波通过超声场引起的相移）是光波通过超声场引起的相移）一级光衍射效率为一级光衍射效率为其中，其中，M2是一个由声光晶体本身性质决定的量，称为声光是一个由声光晶体本身性质决定的量，称为声光优值。优值。Is是超声强度。是超声强度。32（三）声光调制器（三）声光调制器1、组成组成声光晶体、压电换能器、吸声（反射）装置、驱动源等声光晶体、压电换能器、吸声（反射）装置、驱动源等2、工作原理工作原理驱动源产生高频电功率信号；驱动源产生高频电功率信号；压电换能器（压电晶体）将电功率信号转换成超声波；压电换能器（压电晶体）将电功率信号转换成超声波；超声波耦合到声光介质中；超声波耦合到声光介质中；介质在超声波作用下，折射率发生变化，形成光栅，对入介质在超声波作用下，折射率发生变化，形成光栅，对入射光波进行调制。射光波进行调制。333、效率、效率（1）电能转换效率电能转换效率 换能器上电功率与驱动源输出电换能器上电功率与驱动源输出电功率之比功率之比要获得最大的电能转换效率，应该使换能器和驱动源的阻要获得最大的电能转换效率，应该使换能器和驱动源的阻抗相匹配。抗相匹配。（2）电声转换效率电声转换效率 声光介质中的超声功率与加到换声光介质中的超声功率与加到换能器两端的功率之比能器两端的功率之比电声转换效率取决于压电晶体的机械耦合效率以及压电晶电声转换效率取决于压电晶体的机械耦合效率以及压电晶体与声光晶体之间的声阻抗匹配。体与声光晶体之间的声阻抗匹配。（3）超声利用率超声利用率 参与声光相互作用的超声能量占介参与声光相互作用的超声能量占介质中总超声波能量的比值质中总超声波能量的比值为了提高晶体内部的超声利用率，就要考虑声束和光束匹为了提高晶体内部的超声利用率，就要考虑声束和光束匹配问题。光束与声束的发散角之比为配问题。光束与声束的发散角之比为 1.5 时，利用率最高。时，利用率最高。The end341、旋光效应、旋光效应线偏振光通过旋光介质时，振动平面会相对原方向转过线偏振光通过旋光介质时，振动平面会相对原方向转过一个角度。一个角度。l 为光在介质中通过的距离。为光在介质中通过的距离。其中，其中，（一）磁光效应（一）磁光效应为旋光率，它与光波长、介质的性质及温度有关。为旋光率，它与光波长、介质的性质及温度有关。旋转角度旋转角度 旋转方向旋转方向对着光线观察时，对着光线观察时，使光振动矢量顺时针旋转的介质叫右旋光介质；使光振动矢量顺时针旋转的介质叫右旋光介质；使光振动矢量逆时针旋转的介质叫左旋光介质。使光振动矢量逆时针旋转的介质叫左旋光介质。四、磁光调制四、磁光调制352、磁致旋光效应（法拉第效应）、磁致旋光效应（法拉第效应）M.Faraday(1791-1876)1846年年，法法拉拉第第（M.Faraday）在在探探索索电电磁磁现现象象和和光光学学现现象象之之间间的的联联系系时时，发发现现了了一一种种现现象象：当当一一束束平平面面偏偏振振光光穿穿过过介介质质时时，如如果果在在介介质质中中，沿沿光光的的传传播播方方向向上上加加上上一一个个磁磁场场，就就会会观观察察到到光光经经过过样样品品后后偏偏振振面面转转过过一一个个角角度度，即即磁磁场场使使介介质质具具有有了了旋旋光光性性，这这种种现现象象后后来来就就称称为为法拉第效应。法拉第效应。法法拉拉第第效效应应第第一一次次显显示示了了光光和和电电磁磁现现象象之之间间的的联联系系，促促进进了了对对光光本本性性的的研研究究。之之后后费费尔尔德德（Verdet）对对许许多多介介质质的的磁磁致致旋旋光光进行了研究，发现了法拉第效应在固体、液体和气体中都存在。进行了研究，发现了法拉第效应在固体、液体和气体中都存在。36l 为光在介质中通过的距离；为光在介质中通过的距离；B 为磁感应强度；为磁感应强度；V 是费尔德常数，与物质性质有关。是费尔德常数，与物质性质有关。其中，其中，旋转角度旋转角度 旋转方向旋转方向法法拉拉第第效效应应的的旋旋光光方方向向决决定定于于外外加加磁磁场场方方向向，与与光光的的传传播播方方向向无无关关（即即法法拉拉第第效效应应具有不可逆性）。具有不可逆性）。37（二）磁光调制（二）磁光调制根据马吕斯定律，如果不计光损耗，则通过起偏器，经检根据马吕斯定律，如果不计光损耗，则通过起偏器，经检偏器输出的光强为：偏器输出的光强为：为起偏器与起偏器与检偏器透光偏器透光轴之之间夹角角或或 时的的输出出光光强强。38在两个偏振器之在两个偏振器之间加一个由励磁加一个由励磁线圈（圈（调制制线圈）、磁光圈）、磁光调制晶体和低制晶体和低频信号源信号源组成的低成的低频调制器。制器。调制励磁制励磁线圈所圈所产生的正弦交生的正弦交变磁磁场为磁光磁光调制晶体制晶体产生交生交变的振的振动面旋面旋转角角称为调制角幅度。称为调制角幅度。39由由此此式式可可知知，当当 一一定定时时，输输出出光光强强仅仅随随 变变化化。因因为为 是是受受交交变变磁磁场场 B 或或信信号号电电流流 控控制制的的，所所以以信信号号电电流流使使光光振振动动面面旋旋转转，将将电电信信号号转转化化为为光光的的强度调制，这就是磁光调制的基本原理。强度调制，这就是磁光调制的基本原理。输出光强变为输出光强变为40（三）磁光隔离器（三）磁光隔离器固固有有旋旋光光效效应应的的旋旋光光方方向向与与光光的的传传播播方方向向有有关关，即即随随着着顺顺光光线线和和逆逆光光线线的的方方向向观观察察，线线偏偏振振光光的的偏偏振振面面的的旋旋转转方方向向是是相相反反的的，因因此此当当光光线线往往返返两两次次穿穿过过固固有有旋旋光光物物质质时时，线线偏振光的偏振面没有旋转。偏振光的偏振面没有旋转。而而在在法法拉拉第第效效应应中中，在在磁磁场场方方向向不不变变的的情情况况下下，光光线线往往返返穿过磁致旋光物质时，法拉第旋转角将加倍。穿过磁致旋光物质时，法拉第旋转角将加倍。利利用用这这一一特特性性，可可以以使使光光线线在在介介质质中中往往返返数数次次，从从而而使使旋旋转转角角度度加加大大。这这一一性性质质使使得得磁磁光光晶晶体体在在激激光光技技术术、光光纤纤通通信技术中获得重要应用。信技术中获得重要应用。利用法拉第效应的不可逆性，可以制成光隔离器，只允许利用法拉第效应的不可逆性，可以制成光隔离器，只允许光从一个方向通过，而不允许反向通过，以抑制反射光的光从一个方向通过，而不允许反向通过，以抑制反射光的干扰。干扰。41光外腔调制发射机框图光外腔调制发射机框图The end42谢谢46、我们若已接受最坏的，就再没有什么损失。卡耐基47、书到用时方恨少、事非经过不知难。陆游48、书籍把我们引入最美好的社会，使我们认识各个时代的伟大智者。史美尔斯49、熟读唐诗三百首，不会作诗也会吟。孙洙50、谁和我一样用功，谁就会和我一样成功。莫扎特