第三章-光束的控制分解.ppt

1、第三章 光束的控制,光束的控制，就是用信息信號對激光輻射進行作用。 分類： 根據(jù)調制的參量：振幅調制；頻率調制；相位調制；光偏轉 根據(jù)位置：腔內調制；腔外調制,3.1 改變激勵電流的內調制,電燈泡等熱發(fā)光器件，熱變化慢，調制頻率低 激光器的調制頻率與能級壽命有關 Ar+激光4GHz；He-Ne激光1MHz；CO2激光幾KHz；Nd:YAG激光幾KHz 半導體激光和發(fā)光二極管調制頻率取決于載流子壽命。電流越高，壽命越短，頻率越高 微波+直流46GHz 脈沖編碼 脈沖位置調制PPM 脈沖寬度調制PWM,3.2 改變激光諧振腔參量的內調制,原理：1.改變光學介質的折射率 電光；聲光；磁光 2.改變諧

2、振腔的Q值：調Q技術 3.使各縱模相干疊加：鎖模技術,3.2.1 激光的腔內電光調制,電光效應：某些晶體在外加電場的作用下，折射率發(fā)生變化的一種現(xiàn)象,介質在平行于外加電場方向上產生一附加主軸，使入射光產生o光和e光兩分量，其折射率不同，傳輸速度不同，形成光程差nl，感生相移2/ nl, 正比于V2，克爾效應； 正比于V，普克爾效應,克爾Kerr效應,光軸：光沿這個方向傳播時，折射率與偏振無關,晶體的雙折射： (平面偏振)光束入射到晶體內，分解為:(a)尋常光(o光，平行于光軸)； (b)非常光(e光，垂直于光軸) 正晶體none none vo ve產生光程差nl 相移 偏振態(tài)改變,克爾效應：

3、外加電場 附加主軸 o光和e光產生光程差L =nl=JlV2/d2 J:克爾系數(shù)。硝基苯的克爾系數(shù)大。,普克爾Pokels效應,普克爾效應是線性電光效應: V 橫向普克爾效應E k,縱向普克爾效應E k,普克爾電光效應,用折射率橢球可以描述各向異性晶體的光的傳播特性,單軸晶體中,OP傳輸光，作一垂直于OP的面，截得一橢圓，其長短軸大小分別表示兩個偏振向的折射率,對晶體加電壓后，折射率橢球的形狀、大小、方位均發(fā)生變化。,普克爾電光效應,KDP(KH2PO4)晶體外加電壓,Z向加電壓，E=Ez0,Ex=Ey=0,變換后,新的橢球在x-y平面內旋轉45 ，電感應主軸x ，y ,普克爾電光效應,z軸方

4、向射到晶體上的光是x(或y) 線偏振光 未加電壓時，晶體對各個方向振動沿z軸傳輸?shù)墓獾恼凵渎识枷嗤閚o），因而光通過晶體后不改變偏振態(tài) z軸方向加電壓后，折射率橢球變形，感應主軸方向x和y方向轉了45，且感應主折射率變?yōu)閚x和ny，x（或y）偏振光就分解為x和y方向二個偏振分量，射出晶體時兩者就有位相差,（3.2.3）式。偏振方向發(fā)生改變。橫向加電壓類似,激光的腔內電光調制,具有一定位相差的互相垂直的兩個線偏振光，合成后偏振態(tài)取決于。一般為橢圓偏振光。=/2時，變?yōu)閳A偏振光。=時，仍是線偏振光，但偏振方向旋轉了90。所加的電壓稱為半波電壓，用V或V/2 表示,激光腔內放置普克耳盒，外加電壓

5、使偏振發(fā)生偏轉，調制光通過布氏窗反射出去,3.2.2 Q調制,調Q原理 Q值定義：P34,泵浦時：Q值很低，振蕩閾值很高，粒子數(shù)反轉，但沒有激光振蕩輸出 粒子數(shù)反轉達到峰值，Q值突然增加，振蕩閾值急降，振蕩場迅速增長，輸出巨脈沖(ns)。,脈沖泵浦下的調Q過程,Q調制,Q開關：快門 實現(xiàn)Q開關作用兩個重要條件 泵浦速率快于上能級的自發(fā)躍遷速率 Q開關動作快。10ns 調Q技術 電光調Q：克爾效應，普克爾效應 染料調Q 可飽和吸收 聲光調Q 轉鏡調Q,電光Q調制,電光Q開關：克爾盒或普克爾盒加電場 晶體上加電壓，偏振片產生的線偏振光入射，后變成圓偏振，經反射鏡后再經過晶體，再旋轉成為線偏振，但偏

6、振方向差90 ，不能通過偏振片，這時是低Q狀態(tài)，高閾值，激光不能振蕩。電壓為0時，高Q低損低閾值,3.2.2 鎖模,多縱模運轉時，各縱模振幅和相位相差很大 鎖模(鎖相)：鎖定各縱模相位?？色@得一系列脈沖輸出(ps,fs)。 超短脈沖可研究基本物理問題,1. 鎖模原理,假設(2N+1)個縱模，振幅E0相同，位相鎖定如下：,光波總電場,其中,鎖模原理,2N+1個模式經過鎖定以后，總的光波場變?yōu)轭l率為v0 的單色調幅波，振幅A(t)即總光波場受到振幅調制 振幅A(t) 是隨時間變化的周期函數(shù)，光強A(t)2 ，也是時間的函數(shù),光強受到調制。分母為0時，振幅得到極大值。兩個相繼脈沖時間間隔,此時振幅(

7、2N+1) E0，峰值功率較高，正比于(2N+1)2 E0 2 ，一般非均勻加寬激光器，各模式相位隨機，功率正比于(2N+1) E0 2,=1 /，非均勻加寬帶寬越大，譜線越窄,2.鎖模方法,鎖模激光器可理解為腔內往返傳輸?shù)囊粋€光脈沖，也可理解為聚集在一起的光子包束在反射鏡之間來回反射 主動鎖模 腔內加一受外加信號驅動的主動調制器，產生頻率為q并隨時間按正弦變化的損耗。,2.鎖模方法,被動鎖模 腔內加一可飽和吸收染料。漂白,主動鎖模穩(wěn)定性和重復性好，波長范圍寬，脈寬寬；被動鎖模穩(wěn)定性和重復性差，波長范圍窄，脈寬窄。 可采用主動鎖模和被動鎖模相結合的技術。,3.3用電光晶體的外調制,3.3.1

8、電光振幅調制,起偏器偏振x方向，檢偏器偏振y方向，z=0處，x方向上光頻信號分解x ,y方向,檢偏器偏振y方向輸出是ex (L)和ey (L)在y向的分量之和,3.3.1 電光振幅調制,輸出光強,光強透過率,z=0處，x方向上光頻信號分解在x ,y方向,晶體的入射光強Iiee*=2A2,設ex (0)=ey (0)=A,z=L處 設ex(L)=A, ey(L)=Ae-i,相移,TV曲線中，在V /2或V/4處有一近似線性區(qū)。需要加/2偏置，a.加直流電壓。b.插入/4波片,=的外加電壓稱半波電壓，V 或V/2,則,于是,調制信號Vmsinmt m=Vm/V則,3.3.1 電光振幅調制,其中m1

9、，輸出光強的變化與調制信號成近似線性關系。,簡化,3.3.2 電光相位調制,起偏器x(或y)方向,z=0 入射光信號,偏置電場,Z=L 出射光信號,略去相角常數(shù)項,調相指數(shù),3.3.2 電光相位調制,光信號p相位受到的調制，實質也是頻率調制。經電光調制后，出射光頻信號除原有的頻率光之外，還有 m, 2m等邊頻光。,3.4 聲光效應的外調制,聲光效 應：超聲波在聲光介質中傳播時引起介質密度交替的變化，折射率也會發(fā)生相應變化，產生相位光柵。光波通過時就會被介質中的彈性波所衍射。 聲波在介質中形成行波駐波 聲光調制的兩種基本途徑 喇曼-奈斯衍射 布拉格衍射,喇曼-奈斯衍射,光束平行于聲波波面入射，0

10、，1級衍射出射，由光闌+透鏡，再組合成一平面波面 改變聲頻改變衍射角改變1級衍射光強弱，達到調制的目的,布拉格衍射,聲波波長s，速度vs；光波波長，入射角i 同一面上兩條光線衍射,只能m=0, i = r,布拉格衍射,相鄰波平面反射光衍射,B = i = r,B較小，衍射效率高，可以全部以1級衍射出射,聲光柵運動，衍射光產生多普勒頻移,3.4 聲光效應的外調制,聲光調制器,其中P為光彈性系數(shù)，S為聲應變振幅,為工作液體密度，Is為聲強度,聲光調制曲線與電光調制相同,3.5 光束的偏轉 電光偏轉,折射率分布,A、B兩條光線傳輸產生光程差,晶體內輸出面上偏轉角,折射定律,r1得,電光偏轉,電光偏轉器,雙KDP楔形棱鏡偏轉器，兩z軸方向相反，外