激光技术及控制基础

第一章激光调制与偏转技术 激光技术及控制基础

第一章激光调制与偏转技术 • 以调制为重点。对偏转技术不作重点要求。主要讲以下几个问题。 • 调制基本概念 • 强度调制和振幅调制（定义，调制方法） • 相位调制和频率调制（定义，调制方法） • 激光偏转技术（简单）

1.1 概述 一、调制 1.目的：通过调制进行信息的传递。 2.调制：把信息加到载波的过程即调制。定义：利用调制讯号去改变载波的某一参数，使其参数按调制讯号的规律发生变化的过程。从定义看出调制的含义： 1) 调制讯号：需要调制的信息需转化为电讯号，即调制讯号 2) 载波：为传递信息附加的载体。载波一般用无线电波，光波等，需要频率较高，而且频率固定。。

二．激光调制 1.激光调制：利用激光作为载波进行调制的过程。 1)单色性好。 2) 激光发散角小 3) 具有较好的时间相干性和空间相干性 2.调制器：完成激光调制的装置 3.调制的分类 1) 内调制：在激光形成过程中，以调制信号的规律去改变激光振荡的某一参数。即用调制信号控制着激光的形成。 2) 外调制：把调制器放在激光器的外面

优点：调制效率高。 缺点： a.由于调制器放在腔内，等于增加腔内的损耗,降低了输出功率。 b. 调制器带宽受到谐振腔通带的限制

优点： a.因为调制器和激光形成无关,不影响激光器的输出功率。 b.调制器的带宽不受谐振腔通带的限制，缺点：调制效率低。

三．振幅调制和强度调制 1.振幅调制（调幅） (1) 定义：以调制讯号去改变激光的振幅，使其振幅按调制讯号的规律变化。调制前：调制后：－调制讯号

(2)调制系数：振幅的最大增量与振幅的平均值之比。(2)调制系数：振幅的最大增量与振幅的平均值之比。振幅的最大值振幅的最小值振幅的最大增量由可得 m主要由K，A0决定，即比例系数K和调制讯号的振幅A0 对m的要求： m<1,保证调制信号在传输过程中不畸变。 m≥1时，使调制信号失真。

(3)调幅波的频谱分析 调幅波含三个不同的频率：第一项为调制前的激光振荡波。第二项激光频率和调制频率之和。第三项激光频率和调制频率之差。

2.强度调制 (1)定义:以调制信号去改变激光的光强，使光强按着调制信号的规律变化的过程。考虑经过光强调制以后，不失真，则平均光强选在 I0/2 。

设，则光强调制系数为 调制后的光强为：

（2）对的mp要求 • mp <1， • 要求

四．相位调制和频率调制（调相和调频) 1. 定义：以调制信号去改变激光振荡的相位（频率），使激光的相位（频率）按调制信号的规律变化的过程称相位（频率）调制。调频调相

总相位： 调频和调相以后使总相位(t)变化——按调制信号的规律变。因此两者可归为一类。两者的差别是实现方法不同。调相：

调频：

2.频谱 调频和调相以后，总相位角按调制讯号的规律变化，激光的频率是时间的函数。根据付里叶分析，它是许多不同频率波形之和。以上面的为例: 当时，，当一定时，A0小（调制信号弱）

五．脉冲调制与编码调制 1. 脉冲调制如果用光脉冲作为载波，这种载波受到调制信号的控制，使脉冲的幅度、位置、频率等随之发生变化而传递信息。 2. 脉冲调制的类型：脉冲调幅（PAM）脉冲强度调制（PIM）脉冲调频（PFM）脉冲调位（PPM）脉冲调宽（PWM）脉冲编码调制（PCM）

1.2 电光调制 一、电光调制器的理论基础利用晶体的电光效应－晶体光学中已经讲过。 • 1.自然双折射－o光、e光 • 2.电光效应如果在晶体中沿某一方向加一定电压，则晶体的折射率要发生相应的改变，因而晶体的双折射特性也要改变－电光效应。电光调制：强度调制，相位调制 1.KDP纵向运用，KDP，LN横向运用 2.调制器应注意的问题

二、电光强度调制原理利用晶体的电光效应，根据偏振光的干涉原理来实现强度调制。二、电光强度调制原理利用晶体的电光效应，根据偏振光的干涉原理来实现强度调制。光通过这套装置以后输出的光强由下式决定：只要利用调制信号控制加在晶体上的电压改变 n” 和 n’，则输出光的光强受到调制。

三、纵向电光调制器 晶体的运用方式两种： • 纵向运用：加场的方向和通光的方向都沿z方向。 • 横向运用：加场的方向和通光方向垂直。 • 1.纵向运用的结构和原理

对于KDP类晶体沿Z方向加场时，折射率椭球方程为对于KDP类晶体沿Z方向加场时，折射率椭球方程为通过l长的晶体时两束光的位相差：光强：当加在晶体上的电压V的改变使 从0到之间变化，则

结论：利用调制信号控制加在晶体上的电压，使激光输出的强度按调制信号的规律变化——强度调制。结论：利用调制信号控制加在晶体上的电压，使激光输出的强度按调制信号的规律变化——强度调制。

2.调制器的工作原理 调制电压和输出光强度之间的关系是输出的光强和调制电压并不是线性关系－波形失真。调制的目的：利用调制传递信息，如果在调制过程中波形失真，使调制的信号不能还原——达不到目的。半波电压：使光在晶体中分解的两束光的光程差为 /2时所需要加的电压，或者说：使两束光的位相差为 时所加的电压。用V或V/2表示。 = 

(1)当晶体加以直流电压VD 时 －光的透过率 I/I0和VD 的曲线不是线性关系—易发生畸变,在V/2附近有一段近似线性部分----波形畸变小。

(2)在晶体上加交流信号

当调制信号很弱时，即m<<1 • 当调制信号比较强时，上式不能近似，需用贝塞尔函数展开 • 以上公式表明信号强时，调制的光强不但含有基波，而且含有高次谐波成分，，使传输光强畸变。

为了使波形失真最小，下面分几种情况进行讨论。 a. D= 0，即不加直流，只加交流，则有输出的光强无基波，主要含倍频成分。 m大时，含有高次偶次波 ,失真严重。 b. 即在晶体上加V 直流高压，这时和D = 0情况相同。倍频激光. 以上两种情况使调制信号严重失真。

c. 当m小时，输出光强主要含有基波成分， m大时，含有高次谐波成分，失真小。 d. c，d两种情况在m不是很大时，输出激光失真小，D一般选在VD= V/2处近似线性部分，才能有好的调制效果。 VD= V/2时，减少高次谐波，失真小。

3.防止输出光强畸变的方法(如何保证D= /2) a.在晶体上加以V/2的直流电压缺点：工作点的稳定性差。 b. 在光路中加以1/4波片 • 这是目前最简单的方法,当波片的快轴//x’，慢轴//y’时，光通过1/4波片后产生的相位差为/2（附加相位差） • 当调制信号Vm较小时

当调制信号Vm比较大时，只能近似用贝塞尔函数展开当调制信号Vm比较大时，只能近似用贝塞尔函数展开输出光强包含高次谐波成分。说明D不能完全消除波形失真，与Vm大小有关。为了防止波形失真，应使高次谐波的成分最小。

Vm选取原则： 1) 尽可能低压运用，Vm尽可能小--有利于电路的调整安装。 2) A3/A1%尽可能小，防止失真。 3) 要考虑调制深度的要求。定义：调制深度 m表明调制信号的幅值在直流成分中的比例。 m大，多次谐波成分大，波形畸变大 m小，调制输出的失真小。但m太小，影响调制效果，甚至观察不到调制现象，达不到调制信息的目的。结论：在实际应用中，同时考虑失真度和调制度的要求，一般Vm/V选择在/10~/2,

4.特点： • 优点：结构简单，工作稳定，无自然双折射的影响（和横向运用比较）偏振光的干涉装置，中间夹一块1/4波片。 • 缺点：半波电压太高。四．横向电光调制器 1．KDP类的横向运用（三种）

现以KDP类的第一种运用方式为例进行讨论: • 由于强度调制中，影响输出光强的主要因素是，所以只讨论 ，P1的偏振方向和z（或y’）成45o角（在zy’平面内） • 输出光强只与有关。 • 由于在z向加场，所以三个感应主轴的折射率和纵向运用相同。 • 由于沿x’方向通光，入射光的振动方向和z成角，光在晶体中分解为沿z，y’方向振动的两束光。

e，o光的折射率: • 这两束光通过晶体后的位相差为: 第一项是与外加电场无关的晶体本身的自然双折射引起的相位延迟，这一项对调制器的工作没有作用，相反，当晶体温度变化时会增加附加的相位差，造成随温度变化，工作不稳定，必须消除这种影响。第二项是外加电场作用产生的位相差。不仅与V有关，而且与晶体的尺寸l/d有关，合理选择晶体的尺寸增大l/d，则可降低晶体的半波电压V。横向运用的最大优点是半波电压比纵向运用低得多。

消除自然双折射的结构： 结论：若两块晶体的尺寸、性能以及受外界影响相同的话，则一束线偏振光通过组合器后，消除了自然双折射的影响，只与加的电压有关。这一点和纵向运用相同。

2.LN(LiNO3)晶体的横向运用 KDP晶体的横向运用方式，其主要缺点是由于自然双折射的影响，造成了相位延迟，稳定性差，采取组合器的结构，虽然能消除自然双折射的影响，但却使结构复杂，加工困难。采用LN晶体的横向运用，既没有自然双折射的影响，又能降低半波电压，所以目前一般采用LN作横向运用晶体。当LN晶体沿y(或x)方向加场时，相应的感应折射率为： y向加场，感应主轴不动，x向加场，感应主轴转动45o。所以当沿y(或x)方向加场，z向通光时，进入晶体的光束要分解为沿x,y{x’,y’}方向振动的两束光，两束光的相位差为从上式可以看出（1）只与加在晶体上的电压V和晶体的尺寸有关，可改变晶体的尺寸，降低半波电压。（2）不存在自然双折射的影响，因此可以得到广泛的应用。 LN的最大缺点是光损伤功率密度低不能用于大功率密度的激光器。

五．电光相位调制器 相位调制即是用调制讯号的规律来改变激光振荡的相位角。 1.相位调制器的结构

2.相位调制的频谱 相位调制的结果，总相位是时间的函数，也使光的频率变化，频率是总相位角的导数。 • (1)当m<<1时 • (2)当m较大时

六．电光波导调制器 1.体调制器：前面讲的各种电光调制器，具有较大体积尺寸的分离器件-体调制器。特点：几乎整个晶体材料都受到外加电场的作用，加的电场强。（缺点） 2.光波导调制器： (1)定义：把激光器、调制器、探测器等有源器件“集成”在同一衬底上，并通过波导、耦合器等无源元件连接起来，构成一个完整的微型光学系统。 (2)分类：

光波导调制器的特点： a.加电场的区域很小，薄膜附近。薄膜厚度微米量级。驱动功率比体调制器小1-2个数量级。材料的要求：至少有一种满足调制器的要求，材料有确定的相对固定的折射率。 b.利用电光、声光控制时，折射率的变化，使两传播模间有一相位差。与体调制器不同的地方：由于外场的作用导致波导中本征模（如TE模和TM模）传播特性的变化以及两不同模式之间的耦合转换（模耦合调制）。 2.电光波导调制器的调制原理 (1)

通常可简化：如果波导中电光材料均匀，加电场均匀。TE，TM完全限制在波导薄膜层中，阶次相同，m=l，这时积分取极大值。这时，TE模和TM模的场分布几乎相同，仅电矢量的方向不同。且 • 如果相位匹配 ,(1)式变为： • 要获得完全的TETM功率转换，必须满足： • 无转换时： • 波导调制器的输出光强(TM)与输入光强之比为： • d-波导薄膜厚度

3.电光波导相位调制 设传播的波为TM波，电场方向Ez，相位变化：对于电光波导相位调制，不存在不同模之间的互耦合。

七．设计电光调制器时各参数的选择 1.调制器的电性能光波通过晶体时产生的相位延迟为只有在光波通过晶体的渡越时间d=nl/c内，认为调制信号电压在晶体各处的分布相等，才能保证光波在各部分获得的相位延迟相同。调制信号频率越低则电压变化越慢，容易满足上式。一般使晶体的尺寸小于调制信号在晶体中的1/2波长。

结论： (1)为了提高调制效率，调制器的频率有一范围限制——调制器带宽。其带宽越宽越好。如果调制频率超过带宽，则采用行波调制器。允许 md = /2 -  = 0.9。 (2)调制器应损耗功率越小越好。要求晶体质量好。 (3)调制器的稳定性调制器包括晶体、驱动电源及晶体和驱动源阻抗匹配等问题，要求稳定可靠。

2.各参数的选择：（晶体质量，尺寸，运用方式）2.各参数的选择：（晶体质量，尺寸，运用方式） (1)晶体的选择 a.光学性能好，吸收和散射小，光损耗小。 b.晶体的折射率均匀，n≤10-4/cm，可以减小对的影响。 c.选择电光系数大的晶体，降低半波电压。 d.晶体有较好的物理性能，硬度大，不易损坏。

(2)运用方式 根据实际情况的要求，合理的选择运用方式。 KDP的纵向运用，半波电压高，但结构简单，可以采取措施降低半波电压。 LN的横向运用，半波电压低，但晶体易于损坏，适于中等功率的激光调制。降低的V/2的方法：在纵向调制器中，采取几级晶体纵向串联进行电光调制，光学上串联，电学上并联，即一般选4-6块晶体。把晶体的x，y轴逐块旋转90o。为了减小调制器的体积，使相邻两块晶体的加压方向相反。

原理简述如下： 第一块晶体z向加电场，z向通光，第二块晶体z的负向加场，z向通光，必须使第二块晶体x,y轴相对于第一块晶体旋转90o，使在第一块晶体中传播的快光在第二块晶体中仍然为快光——使相加。在同样相位延迟时，在每一块晶体上加的电压为：

(3) 调制电压 为了防止失真，一般选择（）在/10~/2范围，Vm在（0.2-0.5）之间。 (4) 晶体尺寸的确定包括晶体的长度和横截面积。在纵向运用中，半波电压与晶体的尺寸无关，一般选l =5mm-15mm。 A——满足通光孔径。横向电光调制器，一般使

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