第六章激光调制技术

激光物理学中的激光放大和调制技术激光放大和调制技术是激光物理学中的两个重要研究领域。

激光放大技术是指通过将激光光束传输到某个介质中，使其增加功率和能量的过程。

而激光调制技术是指通过调节或改变激光光束的特性，实现对信息的传输、处理和控制。

一、激光放大技术激光放大技术主要是指通过对激光光束进行增强，提高其功率和能量。

常见的激光放大器有固体激光器、气体激光器和半导体激光器等。

这些激光放大器利用激光共振腔和激光介质的相互作用，通过受激辐射的过程，将输入的激光能量放大。

在激光放大技术中，激光共振腔起到了至关重要的作用。

激光共振腔是一个能够反射激光的光学器件，它能够不断地将激光束来回反射，从而使激光与激光介质的相互作用增强。

通过适当的调整激光共振腔的结构和参数，可以实现对激光光束的放大。

此外，激光放大技术还可以利用增益介质来实现放大效果。

增益介质是指在光谱范围内具有较高吸收系数的材料，当激发光束通过增益介质时，其能量被传递给介质中的激发粒子，从而使激发粒子进行受激辐射，产生更多的光子，进而实现激光放大。

常用的增益介质有Nd:YAG晶体和CO2气体等。

二、激光调制技术激光调制技术是指通过改变激光光束的一些特性，如强度、频率和相位等，来实现对信息的传输和控制。

激光调制技术在通信、雷达、光纤传输等领域有着广泛的应用。

激光调制技术有许多种类，最常见的包括：强度调制、频率调制和相位调制。

其中，强度调制是指通过调节激光的强度来表示信息，而频率调制是利用改变激光光束的频率来传输信息，相位调制是通过改变激光光束的相位来实现信息的传输。

激光调制技术的实现方法也有多种。

例如，使用电光调制器可以通过改变电场的强弱来控制光波的相位和强度；利用光波的干涉和多普勒效应也可以实现激光的调制。

这些方法可以根据具体的应用需求来选择合适的调制技术。

总结起来，激光放大和调制技术在激光物理学中具有重要的研究意义和广泛的应用价值。

激光放大技术通过增强激光光束的功率和能量，实现对激光信号的放大；激光调制技术通过调节激光的特性，实现对信息的传输和控制。

激光调制的原理和应用1. 激光调制的基本原理激光调制是通过改变激光的某些参数来调节激光的强度、频率和相位，从而实现激光信号的调制。

激光调制有两种基本方法：干涉调制和直接调制。

1.1 干涉调制干涉调制是利用干涉效应实现激光信号的调制。

一种常见的干涉调制方法是使用马赫－曾德尔干涉仪。

马赫－曾德尔干涉仪由两个反射镜和一个分束器组成，当激光束经过分束器后，会分成两束光，分别经过两个反射镜反射后再次通过分束器合成一束光。

如果在其中一个反射镜上施加电压，会导致反射镜的折射率发生变化，从而影响两束光的相位差，进而调节激光的强度或频率。

1.2 直接调制直接调制是通过改变激光二极管的电流来调节激光的强度、频率和相位。

激光二极管的输出功率与输入电流之间存在线性关系，通过改变电流大小和频率，可以实现对激光的调制。

2. 激光调制的应用2.1 光通信激光调制在光通信中起着重要的作用。

通过调节激光的强度和频率，可以实现光纤通信中的数字信号的调制和解调。

激光调制不仅可以提高信号的传输距离和带宽，还可以减少信号的失真和衰减。

2.2 光存储激光调制也被广泛应用于光存储设备中。

通过调节激光的强度和相位，可以实现光存储器中的数据的写入和读取。

激光调制可以实现高密度、高速度的数据存储，并具有较长的寿命和稳定性。

2.3 激光雷达激光调制在激光雷达中也扮演着重要的角色。

激光调制可以通过调节激光的强度和频率，实现对目标的距离、速度和方位的测量。

激光雷达可以在复杂环境下实现高精度的距离测量和目标识别。

2.4 激光医疗激光调制在医疗领域也有广泛的应用。

通过调节激光的强度和频率，可以实现激光在组织中的热效应和光化学效应。

激光调制可以用于激光治疗、激光手术和光动力疗法等医疗技术。

2.5 激光制造激光调制在激光制造中起着重要的作用。

通过调节激光的强度、频率和相位，可以实现激光的加工、切割、焊接和打孔等工艺。

激光调制可以实现高精度、高效率和非接触的工件加工。

激光调制激光具有很好的时间相干性和空间相干性。

它和无线电波一样，易于进行调制；光波的频率很高，能够传递的信息量大；光束的方向性很好，发射角小，用它传递信息时，易于保密，并且能够传递较远距离。

所以激光是传递信息的一种极为理想的光源。

要用激光作为传递信息的工具，首先要解决如何将传输信号加到激光辐射上的问题。

把信息加载于激光辐射的过程称为激光调制，完成这一过程的装置称为激光调制器。

由已调制的激光辐射还原出所加载信息的过程称为解调。

激光实际上只起到了“携带”低频信号的作用，所以称为载波，而起控制作用的低频信号是需要传递的信息，称为调制信号，被调制的载波称为已调波或调制光。

把激光调制比作人坐车，则人相当于低频信号，即调制信号，激光相当于车，人在车上相当于已调波，人下车相当于解调。

一、激光调制的种类按调制的性质而言，激光调制与无线电波调制相类似，可以采用连续的调幅、调频、调相及脉冲调制等形式。

（1）调幅调幅就是使光载波的幅度随着调制信号的变化规律而改变。

（2）调频和调相—角度调制调频或调相就是使光载波的频率或相位，随着调制信号的变化规律而改变。

因为这两种调制波都表现为总相角的变化，故统称为角度调制。

（3）脉冲调制在目前的光通信中，还广泛采用一种在不连续状态下进行调制的脉冲调制和数字调制。

先进行电调制，再对光载波进行光强度调制。

强度调制是指光载波的强度（光强度）随调制信号变化的调制。

这种调制是把模拟信号先转换成电脉冲系列，进而变成代表信号信息的二进制编码（PCM 数字信号），再对光载波进行强度调制来传送信息。

要实现脉冲编码调制，需要经过三个过程：抽样、量化和编码。

1）抽样抽样就是把连续的信号波分割成不连续的脉冲波，用一定周期的脉冲序列来表示，且脉冲列（称为样值）的幅度是与信号波的幅度相对应的。

2）量化：量化就是把抽样之后的脉冲调制波做分级取“整”处理，用有限个数的代表值取代抽样值的大小。

3）编码：编码是把量化后的数字信号转换成对应的二进制代码的过程。

激光调制分为内调制和外调制两类。

内调制是指加载的调制信号在激光振荡的过程中进行，以调制信号的规律去改变振荡的参数，从而达到改变激光输出特性实现调制的目的。

例如通过直接控制激光泵浦源来调制输出激光的强度。

内调制也可在激光谐振腔内放置调制元件，用信号控制调制元件，以改变谐振腔的参数，从而改变激光输出特性实现调制。

外调制是指加载调制信号在激光形成以后进行的，即调制器置于激光谐振腔外，在调制器上加调制信号电压，使调制器的某些物理特性发生相的变化，当激光通过它时即得到调制。

所以外调制不是改变激光器参数，而是改变已经输出的激光的参数（强度、频率等）。

外调制是当前人们较重视的一种调制方法。

激光调制与无线电波调制相类似，激光振荡的瞬时电场也可表示为：ec(t)=Accos(wct+ψc)（20－28）式中Ac为激光振荡的振幅，wc为振荡的角频率，ψc为振荡的相位角。

式（20－28）中，如果振幅、频率和相位均为常数，则ec(t)表示一个未调制的正弦振荡即载波。

如果上述三个参数之一受到外加信号控制而发生变化，则ec(t)就成为已调制振荡。

按照调制波控制参数（Ac、wc或ψc）的不同，激光调制可分为调幅、调频和调相等类型。

按载波的振荡输出方式不同又可分为连续调制、脉冲调制和脉冲编码调制等。

脉冲调制主要分为脉冲调幅（PAM）、脉冲强度调制（PIM）、脉冲调频（PFM）、脉冲调位（PPM）及脉冲调宽（PWM）等类型。

脉冲编码调制（PCM）是先将连续的模拟信号通过抽样、量化和编码，转换成一组二进制脉冲代码，用幅度和宽度相等的矩形脉冲的有、无来表示，再将这一系列反映数字信号规律的电脉冲加在一个调制器上以控制激光的输出。

这种调制形式也称为数字强度调制（PCM／IM）。

激光调制的方法由调制器依据的原理不同常分为电光调制、声光调制、磁光调制、干涉调制、直接调制等。