高斯光束的傳播.ppt

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