第四章 激光原理

§4-3 声光调制
1. 物理基础
声波：弹性波， 声波：弹性波，激起介 质中各质点沿声波传播 方向振动， 方向振动，介质的密度 呈疏密相同的交替变化， 呈疏密相同的交替变化， 介质折射率发生相应的 周期变化。形成相位光 周期变化。形成相位光 光栅间距或者常数= 栅（光栅间距或者常数 声波波长）， ），导致衍射 声波波长），导致衍射 强度、频率、 光（强度、频率、方向 变化。 等）变化。 图3-1 超声行波在介质中的传播
2010.4.13
第四章 激光器调制
§4-1 调制的基本概念 1. 频率调制和相位调制（统称 频率调制和相位调制（ 角度调制） 角度调制） 2. 强度调制 3. 振幅调制 4. 其他调制
第四章 激光器调制
§4-2 电光调制 1. 电光调制的物理基础 （a）电致折射率变化 ） （b）电光相位延迟 ） （c）光偏振态的变化 ） 2．电光强度调制 ． （a）纵向电光调制 ） （b）横向电光调制 ） 3．电光相位调制 ． 4．评价调制器质量的几个指标 ．
第四章 激光器调制
§4-3 声光调制 1. 物理基础 2. 声光调制器的典型结构原理 3. 声光互作用的两种类型 （a）Raman-Nath型声光调制器 ） 型声光调制器 （b）Bragg型声光调制器 ） 型声光调制器 4. 声光调制器的工作原理和调制带宽
第四章 激光器调制
§4-4 直接调制 1. 半导体激光器直接调制原理 2. 半导体发光二极管的调制特性
其中： 轴加的电压V=Ez*L 其中：沿Z轴加的电压 轴加的电压
1. 电光调制的物理基础 ２）电光相位延迟 电光调制的物理基础（
• 半波电压（ ∆ϕ = π ）： 半波电压（
V1
2
λ = 3 2no γ 63
越小， 越小，
需要的调制功率越小； 需要的调制功率越小； • 实测
V 1 计算
2
γ 63
1. 电光调制的物理基础（３）光偏振态的变化 电光调制的物理基础（
1. 振幅调制
E (t ) = Ac (1 + ma cos ωmt ) cos(ωc t + ϕ c ) ma = Ac cos(ωc t + ϕ c ) + Ac cos[(ωc + ωm )t + ϕ c ] 2 ma + Ac cos[(ωc − ωm )t + ϕ c ] 2
其中调制信号 调幅系数： 调幅系数
1. 物理基础
• 驻波时：∆n( x, t ) 驻波时： • 声驻波在一个周 期内出现两次介 质疏密层， 质疏密层，则光 通过该介质后， 通过该介质后， 调制光的调制频 率将为声频的两 倍。
= 2∆n sin ω s t sin k s x
图3-2 超声驻波
2. 声光调制器的典型结构原理
a (t ) = Am cos ω m t
Am Ac
ma =
2. 频率调制和相位调制 统称角度调制） （统称角度调制）
E(t) = Ac cos[ ct + msinωmt +ϕc ] ω
m 为调相（频）系数 为调相（
3. 强度调制
强度为
I (t ) =
A [1 + K
c
2
2
p
a(t )] cos (ω c t + ϕ c )
图 横向电光调制示意图
3．电光相位调制 ．
起偏器偏振方向平行于晶体的感应主轴x’(或者 起偏器偏振方向平行于晶体的感应主轴 或者y’), 或者 入射晶体后，只有沿x’(或者 方向的偏振， 或者y’)方向的偏振 入射晶体后，只有沿 或者 方向的偏振，外电场 不改变出射光偏振状态，仅改变相位。 不改变出射光偏振状态，仅改变相位。
o
45
2．电光强度调制 ．
（１）纵向电光调制
图 纵向电光强度调制
2．电光强度调制（１）纵向电光调制 ．电光强度调制（
• 光进入晶体后分解为沿 y’ 方向的两个分 光进入晶体后分解为沿x’, ），相位相 量（振幅为入射振幅的 1 ），相位相 2 同： E ' = A cos ω t
x c
E y ' = A cos ω c t
§4-1 调制的基本概念
• 为什么要调制？调Q、锁模、通讯、显 为什么要调制？ 、锁模、通讯、 测距等。 示、测距等。 • 激光调制：激光作为载波，所需传播 激光调制：激光作为载波， 磁等） 的（电、光、声、磁等）信号叠加到 载波上，使载波的参数（ 载波上，使载波的参数（强度或者振 频率、相位） 幅、频率、相位）按照所加信号的规 律变化，达到传播信号的目的。 律变化，达到传播信号的目的。
1. 物理基础
• 行波： a ( x, t ) 行波： • 驻波： 驻波：
= A sin(ω s t − k s x)
x
t a ( x, t ) = 2 A cos( 2π ) sin( 2π ) λs Ts
• 声波角频率
ω s ，波矢 k s ，速度 v s ，运
动的声光栅是 ) = Am cos(ω m t )
• 当然还有脉冲调制； 当然还有脉冲调制；脉冲编码调制
调制具体方法： 调制具体方法：
• 电-机械调制：机械斩波器 机械调制： 机械调制 机械斩波器---KHz量级 量级 • 电-光调制：电光效应---折射率变化， 光调制：电光效应 折射率变化 折射率变化， 光调制 光场调制变化------电压高 光场调制变化 电压高 • 声-光调制：透明介质的光学常数发生 光调制： 光调制 周期变化，光衍射和偏转-----GHz量级， 周期变化，光衍射和偏转 量级， 量级 电压低 • 其他调制：磁光调制（法拉第效应）； 其他调制：磁光调制（法拉第效应）； 干涉调制；。。 干涉调制；。。
2
• 对于 对于KDP晶体 V = V = 晶体 λ π
2
λ 3 2no γ 63
2．电光强度调制（１）纵向电光调 ．
制
• 电光调制输出特性曲线： 电光调制输出特性曲线：
V = Vπ + Vm sin ω m t
2
π V sin 2 2 Vm
Vm V π ∆ϕ = π = +π sin ω m t Vπ 2 Vπ
1. 电光调制的物理基础（１）电致折射率变化 电光调制的物理基础（
（１）电致折射率变化
一般折射率椭球
x y z + 2 + 2 =1 2 nx ny nz
2
2
2
1. 电光调制的物理基础（１）电致折射率变化 电光调制的物理基础（ • 加电场后
1 ∆( 2 ) i = ∑ γ ij E j n j =1
或者
E x (t ) = A * exp[iω c t ] E y (t ) = A * exp[iω c t − i∆ϕ ]
2．电光强度调制（１）纵向电光调制 ．电光强度调制（
• 入射光强 • 出射光强 • 透射率
I i ∝ 2A
2
2
∆ϕ I ∝ 2 A sin ( ) 2
2
∆ϕ 2 π V T = sin ( ) = sin ( ) 2 2 Vπ
2
2
2
1. 电光调制的物理基础（１）电致折射率变化 电光调制的物理基础（ • 旋转 度变换主轴化后 旋转45度变换主轴化后
x y z + 2 + 2 =1 2 n x ' n y ' nz '
'2
'2
'2
1 3 n x ' = n o − n o γ 63 E z 2 1 3 n y ' = n o + n o γ 63 E z 2 n z ' = ne
•
3
γ ij
是6*3的电光张量 ,i=1,2,3…,6 的电光张量
电光调制的物理基础（ 1. 电光调制的物理基础（１）电致折射率变化 • 对KDP晶体（负单 no > ne 晶体（ 晶体 只有 γ ; γ ; γ 不为零
41 52 63
）：
• 外电场Ez=E; Ex=Ey=0时 外电场 时
x y z + 2 + 2 + 2γ 63 yzE z = 1 2 no no ne
§4-2 电光调制
• 某些晶体 LiNbO,KDP 某些晶体: +外加电场 外加电场 --------双折射现象 双折射现象
1. 电光调制的物理基础
• 晶体折射率： 晶体折射率：
n = n0 + γE + hE + .......
2
• •
γ h
线性电光系数（Pockels效应） 线性电光系数（ 效应） 效应 二次电光效应（Kerr效应） 二次电光效应（ 效应） 效应
§4-1 调制的基本概念
• 调制的方法： 调制的方法：
– 内调制：直接调制（改变泵蒲驱动电流） 内调制：直接调制（改变泵蒲驱动电流） 间接调制（腔内调制元件） 间接调制（腔内调制元件） – 外调制：腔外加调制器 外调制： 调制速度高，带宽大） （调制速度高，带宽大）
• 按性质分：调幅；调频；调相位； 按性质分：调幅；调频；调相位； 强度调制等
= 0 或者 2qπ
(q=0,1,2,…)，出射的光是与入射光偏振方 ，
∆ϕ = (2q + 1)
π
2
，得到椭圆偏振光
或者圆偏振光
1. 电光调制的物理基础（３）光偏振态的变
化 • 当 V = V 1 时（二分之一波
2
片），∆ϕ = (2q + 1)π ，出射光是线 偏振光，相对于入射光旋转一个 角 偏振光，相对于入射光旋转一个2θ角， 如果A1=A2 如果 θ=
∆ϕn
I 2 ∆ϕ T= = sin ( ) Im 2 1 = [1 + sin( ∆ϕ m sin ωmt )] 2 Vm ∆ϕ m = π Vπ