一 激光調(diào)制與偏轉(zhuǎn)技術(shù)

1、1激光原理與技術(shù)激光技術(shù)部分激光調(diào)制與偏轉(zhuǎn)技術(shù)激光技術(shù)部分激光技術(shù)課程特點(diǎn) 激光技術(shù)主要講授可以改善和提高激光性能的激光單元技術(shù)，主要內(nèi)容包括：激光調(diào)制與偏轉(zhuǎn)技術(shù)調(diào)Q技術(shù)將激光輸出的脈沖寬度壓縮至ns量級。鎖模技術(shù)將激光輸出的脈沖寬度壓縮至fs量級。非線性光學(xué)技術(shù)擴(kuò)展激光波段、改變或控制激光器參數(shù)等。 激光技術(shù)涉及多學(xué)科的理論知識，但從基本原理來看，大多是利用光和物質(zhì)相互作用所產(chǎn)生的物理效應(yīng)（主要有電光效應(yīng)，聲光效應(yīng)，非線性光學(xué)效應(yīng)等）和采用不同的運(yùn)用形式來控制激光某參量（能量，功率，脈寬，偏振，模式，線寬等）而實(shí)現(xiàn)的。激光技術(shù)部分1.1調(diào)制的基本概念所謂“調(diào)制”，是按著人類應(yīng)用的需求（以信息

2、的形式出現(xiàn)）對光波進(jìn)行“調(diào)節(jié)”與“控制”，從而將信息加載到光波上去。為什么要用光波作為信息載體？轉(zhuǎn)播速度快信息容量大可以用光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行變換可以在透明介質(zhì)中傳輸（光纖、水）可以不用介質(zhì)傳輸（真空、太空）可獨(dú)立傳播加載了信號的光波是以群速度傳播。激光技術(shù)部分1.1調(diào)制的基本概念 調(diào)制的基本方式單色平面波的表達(dá)式為 ，其中 為振幅， 為角頻率， 為初始位相。通過改變激光載波的特征參量，可以對激光載波進(jìn)行調(diào)制。調(diào)幅振幅調(diào)制：使載波的振幅隨調(diào)制信號的變化而變化。調(diào)頻頻率調(diào)制：使載波的頻率隨調(diào)制信號的變化而變化。調(diào)相相位調(diào)制：使載波的相位隨調(diào)制信號的變化而變化。強(qiáng)度調(diào)制：使載波的光強(qiáng)隨調(diào)制信號的變化而變化

3、。( )cos()cccce tAtcAcc激光技術(shù)部分1.1調(diào)制的基本概念0.20.40.60.81.01.21.41.51.00.50.51.01.50.20.40.60.81.01.21.41.51.00.50.51.01.50.20.40.60.81.01.21.41.51.00.50.51.01.50.20.40.60.81.01.21.41.51.00.50.51.01.50.20.40.60.81.01.21.41.51.00.50.51.01.50.20.40.60.81.01.21.41.51.00.50.51.01.5調(diào)制的基本形式改變激光器的泵浦強(qiáng)度的內(nèi)調(diào)制改變激光器的腔

4、內(nèi)損耗的內(nèi)調(diào)制外調(diào)制激光技術(shù)部分1.1調(diào)制的基本概念振幅調(diào)制0.51.01.52.01.51.00.50.51.01.50.51.01.52.01.51.00.50.51.01.50.51.01.52.01.51.00.50.51.01.5頻率調(diào)制和相位調(diào)制0.20.40.60.81.01.21.41.51.00.50.51.01.50.20.40.60.81.01.21.41.51.00.50.51.01.5()e0ccmcm激光技術(shù)部分1.1調(diào)制的基本概念 強(qiáng)度調(diào)制 脈沖調(diào)制 空間調(diào)制 激光調(diào)制基本方法2( )cAa t激光技術(shù)部分1.2電光調(diào)制 折射率橢球?qū)τ谌我夥较蛉肷涞墓獠úㄊ窴 K

5、，通過坐標(biāo)原點(diǎn)O做垂直于K K的平面， 與橢球面相交，交線為一以K K為法線的橢圓，該橢圓的兩個主軸的方向就是D D的兩個相互正交的D D1 1和D D2 2，兩個主半軸的長度對應(yīng)的折射率是n1和n2。2222221xyzxyznnn222123456222222111111()()()2()2()2()1xyzyzxzxynnnnnn折射率橢球的一般形式主軸化的折射率橢球激光技術(shù)部分1.2電光調(diào)制 折射率橢球的矩陣表示形式22222211,2,2,211000 xyznnxyzzyzxxyn1222322224252621()1()1(),2,2,211()1()1()nnnxyzzyzxx

6、ynnn 主軸化以后折射率橢球的矩陣表示形式激光技術(shù)部分1.2電光調(diào)制 KDP晶體的PockelKDP晶體為負(fù)單軸晶體，四方晶系，nx=ny=no，nz=ne 。4152415263000000000 000000ijKDP2224152632222221xyzxyzxyzE yzE zxE xynnn:xyzEEEE加外電場激光技術(shù)部分1.2電光調(diào)制,;,KDPx yx y 縱向運(yùn)用主軸的變化為原主軸方向為感應(yīng)主軸方向。激光技術(shù)部分1.2電光調(diào)制 KDP晶體的Pockel效應(yīng)感應(yīng)主軸的方向相對于原主軸旋轉(zhuǎn)45o（順時針）。KDP晶體稱為雙軸晶體。感應(yīng)主軸的長度感應(yīng)主軸的長短軸的變化與Ez的正

7、負(fù)有關(guān)。Ez的大小可控制nx與ny的大小。3633631212xoozyoozzennnEnnnEnn激光技術(shù)部分1.2電光調(diào)制 電光相位延遲0/23632oVVn( )zV tV激光技術(shù)部分1.2電光調(diào)制2m等同全波片1()2/m等同4全波片(21)m等同半波片出射光偏振態(tài)合成激光技術(shù)部分1.2電光調(diào)制KDP縱向電光調(diào)制器通過兩個主軸分量的不同相位延遲，使出射的光電場偏振態(tài)相對于通過兩個主軸分量的不同相位延遲，使出射的光電場偏振態(tài)相對于入射光電場發(fā)生改變，經(jīng)過檢偏鏡，可以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度調(diào)制（入射光電場發(fā)生改變，經(jīng)過檢偏鏡，可以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度調(diào)制（IM）。）。激光技術(shù)部分1.2電光調(diào)制KDP晶體橫向電光強(qiáng)

8、度調(diào)制45oEzkxkxy軸，軸， 與 、 軸成0363oddVVnLL縱橫激光技術(shù)部分1.2電光調(diào)制 消除橫向運(yùn)用中的自然雙折射的方法固定全波片法組合調(diào)制0363oddVVnLL縱橫激光技術(shù)部分1.2電光調(diào)制 LN晶體的電光效應(yīng)（一）LiNbO3晶體為負(fù)單軸晶體，nx=ny=no,nz=ne。22132213335151220000000000rjLN2213222213222222223322515111111,2,2,21,2,2,21000yzxoyzyoxijyLNzzzzyEEnnEEnnExyzzyzxxyExyzzyzxxyEnnEE 221xxEE 激光技術(shù)部分1.2電光調(diào)制

9、 LN晶體的電光效應(yīng)（二）沿Z Z軸方向加電壓（E EZ Z軸，E Ex x=E Ey y=0,E Ez z0）無交叉項，主軸方向不變nx=ny，仍為單軸晶體沒有縱向強(qiáng)度調(diào)制在Z軸方向加電壓的橫向運(yùn)用仍然有自然雙折射的影響可以用來進(jìn)行相位調(diào)制2213222132222332515122111,2,2,21000yzoyzozzyxxEEnEEnxyzzyzxxyEnEEE激光技術(shù)部分1.2電光調(diào)制 LN晶體的電光效應(yīng)（三）沿X X軸方向加電壓（E EX X軸，E Ez z=E Ey y=0,E Ez z0）2213222132222332515122111,2,2,21000yzoyzozzy

10、xxEEnEEnxyzzyzxxyEnEEE32202oxyxnLVd一二激光技術(shù)部分 LN晶體的電光效應(yīng)（四）沿Y Y軸方向加電壓（E EY Y軸，E Ex x=E Ez z=0,E Ey y0）1.2電光調(diào)制2213222132222332515122111,2,2,21000yzoyzozzyxxEEnEEnxyzzyzxxyEnEEE32202oxyynLVd激光技術(shù)部分1.2電光調(diào)制 GaAs晶體的電光效應(yīng)（一）GaAs為立方晶系，nx=ny=nz=no,光學(xué)各向同性。414141000000000000000rjGaAs22222222222241414111111,2,2,21,

11、2,2,21000 xoyoxijyGaAsozzxyznnnnExyzzyzxxyExyzzyzxxynnEEEE 1 激光技術(shù)部分 GaAs晶體的電光效應(yīng)（二）沿X X軸方向加電壓（E EX X軸，E Ez z=E Ey y=0,E Ez z0）222222414141111,2,2,21oooxyznnxyzzyzxxynEEE1.2電光調(diào)制0341odVnL激光技術(shù)部分1.2電光調(diào)制 電光相位調(diào)制Ein感應(yīng)主軸無檢偏裝置偏振狀態(tài)不發(fā)生改變邊頻振蕩間隔等于外加電場的頻率0.51.01.52.01.51.00.50.51.01.50.51.01.52.01.51.00.50.51.01.5

12、激光技術(shù)部分1.2電光調(diào)制 電光調(diào)制器的光學(xué)性質(zhì)非中心對稱晶系電光系數(shù) 大。對載波透明度高，吸收和散射損耗小，晶體折射率均勻物理化學(xué)性能穩(wěn)定激光損傷閾值高ij激光技術(shù)部分1.3聲光調(diào)制超聲波在介質(zhì)中傳輸超聲場衍射光柵示意圖激光技術(shù)部分1.3聲光調(diào)制( , )sin()ssa x tAtk x( , ) sin()sin()2 2 sin()cos() ()ssssssssa x taaAtk xAtk xAtk xk聲行波場聲駐波場激光技術(shù)部分1.3聲光調(diào)制 Raman-Nath衍射Raman-Nath衍射產(chǎn)生條件面光柵，勝過弱相互作用。低頻超聲波。聲光互作用長度L較短光波正入射。Raman-

13、Nath衍射特點(diǎn)遠(yuǎn)場光分成一組衍射光。衍射角由 決定。衍射光強(qiáng)各級衍射光對稱分布。各級衍射光光強(qiáng)之和等于入射光強(qiáng)。imsm 2( )mmIJ激光技術(shù)部分 1.3聲光調(diào)制 Bragg衍射（一）Bragg衍射特點(diǎn)體光柵，聲光強(qiáng)相互作用聲波頻率較高聲波波陣面對光波呈現(xiàn)部分“反射”和“透射”光波斜入射，入射角為Bragg角。衍射光只有0級，+1級或或-1級。激光技術(shù)部分1.3聲光調(diào)制Bragg衍射的粒子模型激光技術(shù)部分1.3聲光調(diào)制 Bragg判據(jù)引入聲光互作用長度 為Bragg衍射， 為Raman-Nath衍射。 聲光衍射效率 定義第m級衍射光的衍射效率為Raman-Nath衍射 衍射效率低Bragg衍射 能量守恒Bragg衍射效率高，能量轉(zhuǎn)移很有效。2200/ssLn02LL012LLdmmiII210max( )100%mmmmJ2/sin ()2sddiII0022 cosBnLnL為光波相位差0diIII激光技術(shù)部分1.3聲光調(diào)制聲光調(diào)制器（一）結(jié)構(gòu)聲光介質(zhì)：利用其彈光效應(yīng)。電聲換能器：利用晶體的逆壓電效應(yīng)。聲吸收或反射材料：決定了是行波場還是駐波場。1