激光器件与技术第一章2讲.ppt

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1、长春理工大学电子科学与技术系长春理工大学电子科学与技术系Page:1第第1章章激光调制与偏转技术激光调制与偏转技术第一章激光调制与偏转技术长春理工大学电子科学与技术系长春理工大学电子科学与技术系Page:2本章主要内容本章主要内容以以调制调制为重点。对偏转技术不作重点要求。为重点。对偏转技术不作重点要求。1调制基本概念调制基本概念2振幅调制和强度调制（定义，调制方法）振幅调制和强度调制（定义，调制方法）3频率调制和相位调制（定义，调制方法）频率调制和相位调制（定义，调制方法）4电光调制、声光调制和磁光调制电光调制、声光调制和磁光调制5激光偏转技术（简单）激光偏转技术（简单）第一章激光调制与偏转

2、技术长春理工大学电子科学与技术系长春理工大学电子科学与技术系Page:31.1 调制的基本概念调制的基本概念一、调制一、调制1.目的：通过调制进行信息的传递。目的：通过调制进行信息的传递。2.调制：调制：把信息加到载波的过程即调制把信息加到载波的过程即调制。定义：利用调制信号去改变载波的某一参数，使其参数定义：利用调制信号去改变载波的某一参数，使其参数 按调制信号的规律发生变化的过程。按调制信号的规律发生变化的过程。从定义看出调制的含义：从定义看出调制的含义：1)1)调制信号：把需要调制的信息转化为电信号，即调制信号。调制信号：把需要调制的信息转化为电信号，即调制信号。2)2)载载 波：为传递

3、信息附加的载体。载波一般用无线电波，光波：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。波 等，需 要 频 率 较 高，而 且 频 率 固 定。第一章激光调制与偏转技术长春理工大学电子科学与技术系长春理工大学电子科学与技术系Page:41.1 调制的基本概念调制的基本概念二激光调制二激光调制1.1.激光调制激光调制激光调制激光调制：利用激光作为载波进行调制的过程。：利用激光作为载波进行调制的过程。1)1)单色性好单色性好单色性好单色性好2)2)激光发散角小激光发散角小激光发散角小激光发散角小3)3)具有较好的时间相干性和空间相干性具有较好的

4、时间相干性和空间相干性具有较好的时间相干性和空间相干性具有较好的时间相干性和空间相干性2.2.如何调制？如何调制？如何调制？如何调制？激光电场：激光电场：利用某种物理方法改变光波的某一参量，使其按调制信号利用某种物理方法改变光波的某一参量，使其按调制信号的规律变化，则激光受到调制，达到运载信息的目的。的规律变化，则激光受到调制，达到运载信息的目的。3.3.调制器：调制器：调制器：调制器：完成激光调制的装置。完成激光调制的装置。理想传递信息的载波！理想传递信息的载波！(1)第一章激光调制与偏转技术长春理工大学电子科学与技术系长春理工大学电子科学与技术系Page:51.2 调制的分类调制的分类三三

5、.调制的分类调制的分类 根据调制器与激光器的相对关系，分为内调制和外调制：根据调制器与激光器的相对关系，分为内调制和外调制：1)1)内调制：在激光形成过程中，以调制信号的规律去改变内调制：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激光振荡的某一参数。即用调制信号控制着激光的形成。光的形成。举例：半导体激光器举例：半导体激光器调制驱动电流；腔内放置调制元件调制驱动电流；腔内放置调制元件调调QQ技术技术 2)2)外调制：把调制器放在激光器的外面。外调制：把调制器放在激光器的外面。第一章激光调制与偏转技术长春理工大学电子科学与技术系长春理工大学电子科学与技术系P

6、age:61.2 调制的分类调制的分类外调制外调制:优优 点：点：a.因为调制器和激光形成无关因为调制器和激光形成无关,不影响不影响激光器的输出功率。激光器的输出功率。b.调制器的带宽不受谐振腔通带的限调制器的带宽不受谐振腔通带的限制。制。缺缺 点：调制效率低。点：调制效率低。内调制内调制:优优 点：调制效率高。点：调制效率高。缺缺 点：点：a.由于调制器放在腔内，等于增加由于调制器放在腔内，等于增加腔内的损耗腔内的损耗,降低了输出功率。降低了输出功率。b.调制器带宽受谐振腔通带的限制调制器带宽受谐振腔通带的限制 第一章激光调制与偏转技术长春理工大学电子科学与技术系长春理工大学电子科学与技术系

7、Page:71.2 调制的分类调制的分类三三.调制的分类调制的分类 根据调制的性质，可分为振幅调制、频率调制、相位调根据调制的性质，可分为振幅调制、频率调制、相位调根据调制的性质，可分为振幅调制、频率调制、相位调根据调制的性质，可分为振幅调制、频率调制、相位调制和强度调制等。制和强度调制等。制和强度调制等。制和强度调制等。激光电场激光电场：(1)第一章激光调制与偏转技术长春理工大学电子科学与技术系长春理工大学电子科学与技术系Page:81.2 调制的分类调制的分类1.振幅调制（调幅）振幅调制（调幅）(1)(1)定义：以调制信号去改变激光的振幅，使其振幅按调制信号定义：以调制信号去改变激光的振幅

8、，使其振幅按调制信号定义：以调制信号去改变激光的振幅，使其振幅按调制信号定义：以调制信号去改变激光的振幅，使其振幅按调制信号的规律变化。的规律变化。的规律变化。的规律变化。调制前：调制前：调制前：调制前：调制后：调制后：调制后：调制后：激光振幅激光振幅激光振幅激光振幅A Ac c不在是常量，而是与调制信号成正比的函数：不在是常量，而是与调制信号成正比的函数：不在是常量，而是与调制信号成正比的函数：不在是常量，而是与调制信号成正比的函数：(2)(3)(4)(5)第一章激光调制与偏转技术长春理工大学电子科学与技术系长春理工大学电子科学与技术系Page:91.2 调制的分类调制的分类123第一章激光

9、调制与偏转技术长春理工大学电子科学与技术系长春理工大学电子科学与技术系Page:101.2 调制的分类调制的分类(2)调制系数：调制系数：振幅的最大增量与振幅的平均值之比。振幅的最大增量与振幅的平均值之比。振幅的最大增量与振幅的平均值之比。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大值振幅的最大值振幅的最大值振幅的最小值振幅的最小值振幅的最小值振幅的最小值振幅的最大增量振幅的最大增量振幅的最大增量振幅的最大增量 由由由由 可得可得可得可得 mm主要由主要由主要由主要由K K，A A0 0决定，即比例系数决定，即比例系数决定，即比例系数决定，即比例系数KK和调制信号的振幅和调制信号的

10、振幅和调制信号的振幅和调制信号的振幅A A0 0对对mm的要求：的要求：m1,mnsnenfnsne。波导层厚一般在微米。波导层厚一般在微米量级。光波在薄膜上、下两界面上发生全量级。光波在薄膜上、下两界面上发生全发射，光被限制在横向尺寸为光波长量级的薄膜层内，呈锯齿形光路传播。从外界发射，光被限制在横向尺寸为光波长量级的薄膜层内，呈锯齿形光路传播。从外界输入信号对薄膜中传播的光波加以控制，就构成了光波导调制器。输入信号对薄膜中传播的光波加以控制，就构成了光波导调制器。第一章激光调制与偏转技术长春理工大学电子科学与技术系长春理工大学电子科学与技术系Page:41晶体长度为晶体长度为L L，厚度为

11、，厚度为d d，光束沿，光束沿y y方向方向入射，则入射，则x x方向晶体的折射率可表示为方向晶体的折射率可表示为(假设线性变化假设线性变化)：其中其中n n是是x=0 x=0处的折射率，处的折射率，x=dx=d处的折射处的折射率是率是n+nn+n。当一束平面波经过晶体时，。当一束平面波经过晶体时，光波的上部和下部所光波的上部和下部所“经受经受”的折射率的折射率不同，通过晶体所需的时间也就不同，不同，通过晶体所需的时间也就不同，分别为：分别为：由于通过晶体时间不同，导致光线由于通过晶体时间不同，导致光线A A相相对对B B要落后一段距离：要落后一段距离：1.3 电光调制电光调制5.电光偏转电光

12、偏转电光偏转技术是激光应用电光偏转技术是激光应用电光偏转技术是激光应用电光偏转技术是激光应用(显示、传真、显示、传真、显示、传真、显示、传真、光存储等光存储等光存储等光存储等)基本技术之一。基本技术之一。基本技术之一。基本技术之一。1 1）光的偏转）光的偏转）光的偏转）光的偏转角连续变化的模拟式偏转角连续变化的模拟式偏转角连续变化的模拟式偏转角连续变化的模拟式偏转激光显示；激光显示；激光显示；激光显示；2 2）不连续的数字偏转）不连续的数字偏转）不连续的数字偏转）不连续的数字偏转光存储。光存储。光存储。光存储。1).电光偏转的原理电光偏转的原理-利用电光效应来利用电光效应来利用电光效应来利用电

13、光效应来改变光束在空间的传播方向。改变光束在空间的传播方向。改变光束在空间的传播方向。改变光束在空间的传播方向。(27)(28)(29)第一章激光调制与偏转技术长春理工大学电子科学与技术系长春理工大学电子科学与技术系Page:421.3 电光调制电光调制这意味着光波到达晶体出射面时，其波振面相对于传播轴线偏转这意味着光波到达晶体出射面时，其波振面相对于传播轴线偏转了一个小角度，偏转角：了一个小角度，偏转角：光束从晶体出射后的偏转角大小可由折射定律得出：光束从晶体出射后的偏转角大小可由折射定律得出：可见：只要晶体在电场的作用下，沿某些方向的折射率发生变化，可见：只要晶体在电场的作用下，沿某些方向

14、的折射率发生变化，当光束沿特定方向入射时，就可以使光束发生偏转，偏转角的大当光束沿特定方向入射时，就可以使光束发生偏转，偏转角的大小与晶体折射率的线性变化率成正比。小与晶体折射率的线性变化率成正比。(30)(33)第一章激光调制与偏转技术长春理工大学电子科学与技术系长春理工大学电子科学与技术系Page:431.3 电光调制电光调制2).电光数字式偏转电光数字式偏转 B B为双折射晶体，它能使线偏振光分成为双折射晶体，它能使线偏振光分成互相平行、振动方向垂直的两束光。互相平行、振动方向垂直的两束光。S S为为KDPKDP电光晶体。入射光偏转方向垂直电光晶体。入射光偏转方向垂直纸面，对纸面，对B

15、B而言相当于而言相当于o o光。当光。当S S上未加上未加电压时，光波通过电压时，光波通过S S后偏振态不变，仍后偏振态不变，仍为垂直纸面的为垂直纸面的o o光；当光；当S S上加半波电压时，上加半波电压时，S S相当于半波片，则入射光的偏振面将相当于半波片，则入射光的偏振面将旋转旋转9090o o变成变成e e光。不同偏振方向光波对光。不同偏振方向光波对光轴的取向不同，其传输的光路也是不光轴的取向不同，其传输的光路也是不同的，所以此时通过同的，所以此时通过B B的的e e光相对于入射光相对于入射方向就偏转了一个小的角度。上述电光方向就偏转了一个小的角度。上述电光晶体和双折射晶体就构成了一个一

16、级数晶体和双折射晶体就构成了一个一级数字偏转器。把字偏转器。把n n个这样的数字偏转器组合个这样的数字偏转器组合起来，就形成了起来，就形成了n n级数字式偏转。级数字式偏转。第一章激光调制与偏转技术长春理工大学电子科学与技术系长春理工大学电子科学与技术系Page:441.3 电光调制电光调制6.设计电光调制器应考虑的问题设计电光调制器应考虑的问题1).整体要求：整体要求：宽调制带宽，满足高效率无畸变地传输信息；宽调制带宽，满足高效率无畸变地传输信息；宽调制带宽，满足高效率无畸变地传输信息；宽调制带宽，满足高效率无畸变地传输信息；调制器功耗低；调制器功耗低；调制器功耗低；调制器功耗低；调制特性曲

17、线的线性范围大；调制特性曲线的线性范围大；调制特性曲线的线性范围大；调制特性曲线的线性范围大；工作稳定性好。工作稳定性好。工作稳定性好。工作稳定性好。2).电光晶体材料的选择：电光晶体材料的选择：光学性能好；对调制光波透明度高光学性能好；对调制光波透明度高光学性能好；对调制光波透明度高光学性能好；对调制光波透明度高,吸收和散射损耗小吸收和散射损耗小吸收和散射损耗小吸收和散射损耗小,晶体的折射率均匀晶体的折射率均匀晶体的折射率均匀晶体的折射率均匀.电光系数大；半波电压与电光系数大；半波电压与电光系数大；半波电压与电光系数大；半波电压与 6363有关。有关。有关。有关。较好的物理化学性能，硬度、光

18、破坏阈值、温度影响和潮解等。较好的物理化学性能，硬度、光破坏阈值、温度影响和潮解等。较好的物理化学性能，硬度、光破坏阈值、温度影响和潮解等。较好的物理化学性能，硬度、光破坏阈值、温度影响和潮解等。第一章激光调制与偏转技术长春理工大学电子科学与技术系长春理工大学电子科学与技术系Page:451.3 电光调制电光调制3).工作方式选择工作方式选择KDPKDP纵向调制，结构简单，但半波电压高，可以采取措施降低半波纵向调制，结构简单，但半波电压高，可以采取措施降低半波纵向调制，结构简单，但半波电压高，可以采取措施降低半波纵向调制，结构简单，但半波电压高，可以采取措施降低半波电压：采取电压：采取电压：采

19、取电压：采取n n级晶体纵向串联的方式；级晶体纵向串联的方式；级晶体纵向串联的方式；级晶体纵向串联的方式；LNLN横向调制，半波电压低，不受自然双折射的影响，但是晶体易横向调制，半波电压低，不受自然双折射的影响，但是晶体易横向调制，半波电压低，不受自然双折射的影响，但是晶体易横向调制，半波电压低，不受自然双折射的影响，但是晶体易于损坏，所以只适于中等功率的激光调制。于损坏，所以只适于中等功率的激光调制。于损坏，所以只适于中等功率的激光调制。于损坏，所以只适于中等功率的激光调制。4).电光晶体尺寸的选择电光晶体尺寸的选择纵向调制时，半波电压与尺寸无关，增加长度可减少调制器的电容，纵向调制时，半波

20、电压与尺寸无关，增加长度可减少调制器的电容，纵向调制时，半波电压与尺寸无关，增加长度可减少调制器的电容，纵向调制时，半波电压与尺寸无关，增加长度可减少调制器的电容，使频带展开，但长度越长对加工及装调精度要求越高；使频带展开，但长度越长对加工及装调精度要求越高；使频带展开，但长度越长对加工及装调精度要求越高；使频带展开，但长度越长对加工及装调精度要求越高；横向调制时，合理选择纵横比可降低半波电压，同时，横向截面的横向调制时，合理选择纵横比可降低半波电压，同时，横向截面的横向调制时，合理选择纵横比可降低半波电压，同时，横向截面的横向调制时，合理选择纵横比可降低半波电压，同时，横向截面的大小要符合通

21、光孔径的要求。大小要符合通光孔径的要求。大小要符合通光孔径的要求。大小要符合通光孔径的要求。第一章激光调制与偏转技术长春理工大学电子科学与技术系长春理工大学电子科学与技术系Page:46电光调制电光调制 小结小结电光调制的物理基础是什么？什么是泡克尔斯效应？什么是克电光调制的物理基础是什么？什么是泡克尔斯效应？什么是克尔效应？尔效应？什么是纵向电光调制？什么是横向电光调制？二者各自的特点什么是纵向电光调制？什么是横向电光调制？二者各自的特点是什么？是什么？为了降低电光调制器的半波电压，采用为了降低电光调制器的半波电压，采用4块块z切割的切割的KDP晶体连晶体连接接(光路串联、电路并联光路串联、

22、电路并联)成纵向串联式结构。试问，成纵向串联式结构。试问，(1)为了使为了使4块晶体的电光效应逐块叠加，各晶体的块晶体的电光效应逐块叠加，各晶体的x和和y轴取向应如何？轴取向应如何？(2)若波长为若波长为628nm，no=1.51，63=23.6*10-12m/V，计算其半波电，计算其半波电压，并与单块晶体调制器进行比较。压，并与单块晶体调制器进行比较。试设计一种实验装置，如何检验出入射光的偏振态试设计一种实验装置，如何检验出入射光的偏振态(线偏振光、线偏振光、椭圆偏振光、自然光椭圆偏振光、自然光)，并指出是根据什么现象？如果一个纵向，并指出是根据什么现象？如果一个纵向电光调制器没有起偏器，入射的自然光能否得到光强调制？为电光调制器没有起偏器，入射的自然光能否得到光强调制？为什么？什么？