高斯光束的傳播.ppt_第1頁
高斯光束的傳播.ppt_第2頁
高斯光束的傳播.ppt_第3頁
高斯光束的傳播.ppt_第4頁
高斯光束的傳播.ppt_第5頁
已閱讀5頁,還剩35頁未讀, 繼續(xù)免費閱讀

下載本文檔

版權說明:本文檔由用戶提供并上傳,收益歸屬內(nèi)容提供方,若內(nèi)容存在侵權,請進行舉報或認領

文檔簡介

1、4.3 激光束的變換,4.3.1 高斯光束通過薄透鏡時的變換,一、普通球面波在通過薄透鏡的傳播規(guī)律,圖4-15 球面波通過薄透鏡的變換,1. 透鏡的成像公式: (4-15),2. 從光波的角度看,當傍軸波面通過焦距為 f 的透鏡時,其波前曲率半徑滿足關系式 :,符號:沿光傳輸方向的發(fā)散球面波的曲率半徑為正,會聚球面波的曲率 半徑為負。,(4-16),薄透鏡的作用改變光波波陣面的曲率半徑。,二、高斯光束通過薄透鏡的變換,當通過薄透鏡時, 高斯光束經(jīng)過薄透鏡變換后仍為高斯光束。若以M1表示高斯光束入射在透鏡表面上的波面,由于高斯光束的等相位面為球面,經(jīng)透鏡后被轉換成另一球面波面M2而出射,M1與M

2、2的曲率半徑Rl及R2之間的關系滿足(4-16)式。同時,由于透鏡很“薄”,所以在緊挨透鏡的兩方的波面M1及M2上的光斑大小及光強分布都應該完全一樣。以表示入射在透鏡表面上的高斯束光斑半徑, , 表示出射高斯束光斑半徑。,圖4-16 高斯光束通過薄透鏡的變換,1. 將透鏡的變換應用到高斯光束上,有以下關系:,高斯模通過透鏡后仍保持為相同階次的模,但光束參數(shù)R 和(z)已改變!,圖4-16 高斯光束通過薄透鏡的變換,實際問題中,通常 和 是已知的,此時 ,則入射光束在鏡面處的波陣面半徑和有效截面半徑分別為:,2.出射光束在鏡面處的波陣面半徑 和有效截面半徑 。,經(jīng)透鏡變換后的束腰位置、腰斑大小由

3、以上兩式?jīng)Q定.,已知高斯光束的腰斑大小和位置,整條高斯光束傳輸規(guī)律就確定了。,4.3.2 高斯光束的聚焦,實際應用中,為了提高激光的光功率密度,需要對高斯光束進行聚焦。,核心問題:由 、和 如何選擇參數(shù),使 最小,圖4-16 高斯光束通過薄透鏡的變換,一、高斯光束入射到短焦距透鏡時的聚焦情形( ),1.象方腰斑位置:,由,在由,代入,得,利用,且要求,則,圖4-17 短焦距透鏡的聚焦,這與幾何光學中的平行光通過透鏡聚焦在焦點上的情況類似。,2.象方束腰半徑:,討論,高斯光束聚焦的方法:,1.采用短焦距透鏡,使 f 盡量減小,2.加大入射光在透鏡面處的光斑半徑,(1)通過加大 s 來加大,(2)

4、加大入射光的發(fā)散角0從而加大:,用凹透鏡直接加大發(fā)散角,用兩個凸透鏡聚焦,束腰半徑越小,發(fā)散角越大,從而加大,達到縮小聚焦光斑的目的.,高斯光束聚焦的腰斑放大率:,如果 s 足夠大,滿足條件: 則:,又,這與幾何光學中物、象的尺寸比例關系是一致的。,通過以上的討論我們看到,不論是聚焦點的位置,還是求會聚光斑的大小,都可以在一定的條件下把高斯光束按照幾何光學的規(guī)律來處理.,二、入射高斯光束的腰到透鏡的距離 s 等于透鏡焦距 f 的情形,1.象方腰斑位置:,比較:,幾何光學:,高斯光束:,2.象方束腰半徑:,比較:,s 足夠大,根據(jù)高斯光束的漸變性可以設想,只要 和 相差不大,高斯光束的聚焦特性會

5、與幾何光學的規(guī)律迥然不同。,實際應用中,為了減小光束發(fā)散角,從而能量不會隨距離很快散開,需要對高斯光束準直。,4.3.3 高斯光束的準直,1一、核心問題:改善光束的方向性,即壓縮光束的發(fā)散角,高斯光束發(fā)散角:,腰斑小,光束發(fā)散得快,發(fā)散角大,,腰斑大,光束發(fā)散得慢,發(fā)散角小,通過透鏡后,像高斯光束發(fā)散角:,由此可見,對于有限大小的 ,無法使 。因此,要用單個透鏡將高斯光束轉換成平面波,從原理上說,是不可能實現(xiàn)的。,如何借助透鏡改善高斯光束的方向性?,實際應用中,為了減小光束發(fā)散角,從而能量不會隨距離很快散開,需要對高斯光束準直。,4.3.3 高斯光束的準直,一、核心問題:改善光束的方向性,即壓

6、縮光束的發(fā)散角,二、方法:用單透鏡; 用望遠鏡。,用單透鏡,高斯光束發(fā)散角:,通過透鏡后,像高斯光束發(fā)散角:,由此可見,對于有限大小的 ,無法使 。因此,要用單個透鏡將高斯光束轉換成平面波,從原理上說,是不可能實現(xiàn)的。,如何借助透鏡改善高斯光束的方向性?,圖(4-20) 倒裝望遠鏡系統(tǒng)壓縮光束發(fā)散角, 用望遠鏡,通過第一個短焦距(f 1)透鏡聚焦,獲得極小的腰斑:,通過第二個短焦距(f 2)透鏡聚焦,將腰斑變換為:,定義: 高斯光束通過透鏡系統(tǒng)后光束發(fā)散角的壓縮比。 倒置望遠鏡對普通光線的傾角壓縮倍數(shù)。,則,首先利用一個短焦距透鏡將高斯光束聚焦,獲得極小的腰斑;然后再利用一個長焦距透鏡改善光束

7、的方向性,達到準直的目的。,由于f2f1,所以M1。 又由于0,因此有M M 1 即:,結論: 高斯光束的準直壓縮光束的發(fā)散角,改善光束的方向性,,4.4 激光調(diào)制技術,激光是一種頻率更高的電磁波,它具有很好相干性,因而象以往電磁波(收音機、電視等)一樣可以用來作為傳遞信息的載波。 由激光“攜帶”的信息(包括語言、文字、圖像、符號等)通過一定的傳輸通道(大氣、光纖等)送到接收器,再由光接收器鑒別并還原成原來的信息。這種將信息加載于激光的過程稱之為調(diào)制,完成這一過程的裝置稱為調(diào)制器。其中激光稱為載波;起控制作用的低頻信息稱為調(diào)制信號。,一、調(diào)制,定義:利用調(diào)制訊號去改變載波的某一參數(shù),使其參數(shù)按

8、調(diào)制訊 號的規(guī)律發(fā)生變化的過程。,1.目的:通過調(diào)制進行信息的傳遞。,2.調(diào)制:把信息加到載波的過程即調(diào)制。,二激光調(diào)制,1.激光調(diào)制:利用激光作為載波進行調(diào)制的過程。 1)單色性好。 2) 激光發(fā)散角小 3) 具有較好的時間相干性和空間相干性,2.調(diào)制器:完成激光調(diào)制的裝置,4.4.1 激光調(diào)制的基本概念,3.調(diào)制的分類,1)內(nèi)調(diào)制:是指加載調(diào)制信號是在激光振蕩過程中進行的,即以調(diào)制信號去改變激光器的振蕩參數(shù),從而改變激光輸出特性以實現(xiàn)調(diào)制。,方法:,直接控制激光器泵浦電源,達到調(diào)制輸出的激光強度,輸出的強弱和有無,都受電源的控制。如果利用要傳遞的信號去控制激光電源,使之通過激光器的電流變化

9、受信號控制,這樣發(fā)射的激光也就受信號控制了。,在諧振腔內(nèi)放置調(diào)制元件,用信號控制調(diào)制元件物理特性的變化,以改變諧振腔的參數(shù),從而改變激光輸出特性以實現(xiàn)其調(diào)制。,優(yōu) 點:調(diào)制效率高。 缺 點:a.由于調(diào)制器放在腔內(nèi),等于增加腔內(nèi)的損耗,降低了輸出功率。 b. 調(diào)制器帶寬受到諧振腔通帶的限制,2) 外調(diào)制:是指激光形成之后,在激光器外的光路上放置調(diào)制器,用調(diào)制信號改變調(diào)制器的物理特性,當激光通過調(diào)制器時,就會使光波的某參量受到調(diào)制。,優(yōu) 點:a.因為調(diào)制器和激光形成無關,不影響激光器的輸出功率。 b.調(diào)制器的帶寬不受諧振腔通帶的限制, 缺 點:調(diào)制效率低。,激光的瞬時光場的表達式,瞬時光的強度為,

10、上式中,如果振幅、頻率和相位都為常數(shù),則 表示一個未被調(diào)制的信號,如果振幅、頻率和相位三個之一受到外加信號的控制而發(fā)生變化,則 就成為一個被調(diào)制的震蕩了。,4.激光調(diào)制按其調(diào)制的性質(zhì)可以分為 調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相及強度調(diào)制等。,(1)振幅調(diào)制振幅調(diào)制就是載波的振幅隨著調(diào)制信號的規(guī)律而變化的振蕩,若調(diào)制信號是正弦信號,則激光幅度調(diào)制的表達式為,M為調(diào)幅系數(shù),激光強度調(diào)制的表達式為,調(diào)幅的結果,載波的角頻率和初位相都保持不變,振幅則已發(fā)生了變化。,M1為強度調(diào)制系數(shù),(2)頻率調(diào)制以調(diào)制信號去改變激光振蕩的頻率,激光頻率調(diào)制的表達式為,調(diào)頻的結果,載波的振幅和初位相都保持不變,而角頻率 在之外,還有一

11、個增量 , 稱為調(diào)頻系數(shù)。,其中,激光相位調(diào)制的表達式為,(3)相位調(diào)制)以調(diào)制信號去改變激光振蕩的相位,其中,調(diào)相位的結果,載波的振幅和頻率都保持不變,而處位相 在之外,還有一個增量 , 稱為調(diào)相系數(shù)。,4.4.2 電光強度調(diào)制,一、電光強度調(diào)制原理 利用晶體的電光效應,根據(jù)偏振光的干涉原理來實現(xiàn) 強度調(diào)制。,1.自然雙折射o光、e光,2.電光效應晶體在外電場的作用下,其折射率發(fā)生變化,使通過晶體的不同偏振方向的光之間產(chǎn)生位相差,從而使光的偏振狀態(tài)發(fā)生變化的現(xiàn)象。,光通過這套裝置以后輸出的光強由下式?jīng)Q定: 只要利用調(diào)制信號控制加在晶體上的電壓,改變 ” 和 ,則輸出光的光強受到調(diào)制。,3.

12、結構和原理 (KDP晶體),圖(4-21) 電光調(diào)制裝置示意圖,(1)電致折射率變化電光相位延遲,在電光晶體上沿z軸方向施加電壓V,由電光效應產(chǎn)生的感應雙折射軸 分別與 軸成450角.x 軸稱為快軸, y軸稱為慢軸.,通過l長的晶體時兩束光的位相差:,加電場前折射率,加電場后折射率,為晶體在未加電場之前的折射率,為單軸晶體的線性電光系數(shù),圖(4-21) 電光調(diào)制裝置示意圖,(2) 電光強度調(diào)制,通過晶體后沿快軸 和慢軸 的電矢量振幅都變?yōu)?入射到晶體的在x方向上的線偏振激光電矢量振幅為E,則:,通過通振動方向與 y 軸平行的偏振片檢偏后產(chǎn)生的光振幅(見圖421(b)分別為 , ,則有 ,其相互

13、之間的位相差為 。則有:,可見出射光強隨外加電壓而變,如果把信號加在晶體上,輸出光強就隨信號而變,就為信號所調(diào)制。,可見出射光強隨外加電壓而變,如果把信號加在晶體上,輸出光強就隨信號而變,就為信號所調(diào)制。如圖畫出了 曲線的一部分以及光強調(diào)制的情形。,由于調(diào)制器的工作點在透射曲線的非線行區(qū),故輸出光信號失真,光信號的頻率為調(diào)制信號的兩陪。,圖(4-22) I/I0-V曲線,為使工作點選在曲線中點處,通常在調(diào)制晶體上外加直流偏壓 來完成。(插入1/4波片),如外加信號電壓為正弦電壓(電壓幅值較小), ,則輸出光強近似為正弦形。,圖(4-23) 相位調(diào)制裝置示意圖,4.4.3 電光相位調(diào)制,電光相位

14、調(diào)制原理 相位調(diào)制即是用調(diào)制訊號的規(guī)律來改變激光振蕩的相位角。,相位調(diào)制器的結構,加電場后,振動方向與晶體的軸相平行的光通過長度為 的晶體,其位相增加為,晶體上所加的是正弦調(diào)制電場 ,光在晶體的輸入面(z=0)處的場矢量大小是,則在晶體輸出面( z=l )處的場矢量大小可寫成,式中, 為相位調(diào)制度,4.5 激光的偏轉技術,光束偏轉技術是激光應用(如激光顯示、傳真和光存儲等)的基本技術之一。它可以用機械轉鏡、電光效應和聲光效應等來實現(xiàn)。,4.5.1 機械偏轉,機械偏轉是利用反射鏡或多面反射棱鏡的旋轉或反射鏡的振動實現(xiàn)光束掃描。,4.5.2 電光偏轉,電光偏轉的原理 電光偏轉是利用電光效應來改變光

15、束在空間的傳播方向,1. 利用泡克耳斯效應,在電光晶體上施 加電場改變晶體的折射率使光束偏轉。,2.結構電光晶體偏轉器是由兩個晶體棱鏡(如KDP棱鏡)所組成,如圖4-24所示。,圖4-24 實際的電光晶體偏轉器,制作時,使得兩個棱鏡在沿z軸方向外加 電場作用下,下面棱鏡的快軸方向(x)與上面棱鏡的慢軸方向(y )相重合.沿x 方向振動的激光入射時,光束沿 y 方向傳播.,如果激光垂直一個直角面射到圖4-24所示的下面的直角棱鏡上,由折射定律可得出射光的偏轉角為,在電光晶體上施加電場后晶體的折射率的改變量為 ,則出射光的偏轉角的相應改變量為,圖4-24 實際的電光晶體偏轉器,3.偏轉角,施加電壓后,上、下層棱鏡中傳播時光的折射率為,上式給出了沿z軸施加電場強

溫馨提示

  • 1. 本站所有資源如無特殊說明,都需要本地電腦安裝OFFICE2007和PDF閱讀器。圖紙軟件為CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.壓縮文件請下載最新的WinRAR軟件解壓。
  • 2. 本站的文檔不包含任何第三方提供的附件圖紙等,如果需要附件,請聯(lián)系上傳者。文件的所有權益歸上傳用戶所有。
  • 3. 本站RAR壓縮包中若帶圖紙,網(wǎng)頁內(nèi)容里面會有圖紙預覽,若沒有圖紙預覽就沒有圖紙。
  • 4. 未經(jīng)權益所有人同意不得將文件中的內(nèi)容挪作商業(yè)或盈利用途。
  • 5. 人人文庫網(wǎng)僅提供信息存儲空間,僅對用戶上傳內(nèi)容的表現(xiàn)方式做保護處理,對用戶上傳分享的文檔內(nèi)容本身不做任何修改或編輯,并不能對任何下載內(nèi)容負責。
  • 6. 下載文件中如有侵權或不適當內(nèi)容,請與我們聯(lián)系,我們立即糾正。
  • 7. 本站不保證下載資源的準確性、安全性和完整性, 同時也不承擔用戶因使用這些下載資源對自己和他人造成任何形式的傷害或損失。

評論

0/150

提交評論