激光器件与技术第一章-2讲-共47张课件.ppt

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。一一调制基本概念调制基本概念二二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）三三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）四四电光调制、声光调制和磁光调制电光调制、声光调制和磁光调制五五激光偏转技术（简单）激光偏转技术（简单）第一章

2、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: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。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：利用激光作为载

3、波进行调制的过程。：利用激光作为载波进行调制的过程。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。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！cosccccetAt(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 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:61.2

4、 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Page:71

5、.2 调制的分类调制的分类三三.调制的分类调制的分类 激光电场激光电场：cosccccetAt(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）0()()cos()()coscccme tA tta tAt载波信号：调制信号：0()()()(cos)cos()ccmccA tAKa te tAKAtt调制振幅：调制后：(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0()()cos()

6、()coscccme tA tta tAt载波信号：调制信号：123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:101.2 调制的分类调制的分类(2)调制系数：调制系数：max0AcAKAmin0AcAKAmaxminccAAAAAcAmA0AKA 0cKAmA(6)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:111.2 调制的分类调制的分类0()cos()(1cos)cos()cos()coscos()cos()cos()cos()22mcmcccccmcccccccmcccmca tAte tA

7、mttAtmttmmAtAtAt调幅波含三个不同的频率：(3)调幅波的频谱分析调幅波的频谱分析第一章 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:121.2 调制的分类调制的分类()cos()ccce tAt=()()ccftk a t 常数()()ctk a t 常数(7)(8)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:131.2 调制的分类调制的分类 调相：调相：000cos()cos()ccos(si n)cos(si nos()()()si ncccmcccmcccccccmetAtkAtAtet

8、AtetAtkatAtdtttmttatAtmkA调制前()=调制后()=（）其中（）为总相位且有d假设调制信号，则为比例系数()=（弧度）ct（t）=(9)(1)(10)(11)000c o s()c o s()cc o s(s i n)c o s(s i no s()()()s i ncccmcccmcccccccmetAtkAtAtetAtetAtkatAtdtttmttatAtmkA调制前()=调制后()=（）其中（）为总相位且有d假设调制信号，则为比例系数()=（弧度）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:14000000()()

9、()()cosc()cosossinsi(s n)nitcttcfccfcmtcfmcfccfmcmccfmcmctt dtk a t dttk a t dta tAtttk Atdtk AtttemAmtttt0总相位：()=+如 果：，则（）=调频后的电场：1.2 调制的分类调制的分类调频调频：(12)(13)(14)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:1501Acos(sin)1sin(sin)sin()cos()sinsin()cos()cos()cos()22fffmmfmfmfmcccfmccffcccccmcccmcmmk

10、Amtmtmte tAtmttmmAtAtAt0当时，；当一定时，小，调制信号弱。；1.2 调制的分类调制的分类(2)频谱分析频谱分析()cos(sin)cos()cos(sin)sin()sin(sin)ccfmccccfmcccfme tAtmtAtmtAtmt(15)(16)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:161.2 调制的分类调制的分类3.强度调制强度调制(1)定义：以调制信号去改变激光的光强，使光强按着调制信定义：以调制信号去改变激光的光强，使光强按着调制信号规律变化的过程。号规律变化的过程。222200000020()()

11、cos()()()()()cos()ccccpppccI te tAtAIIIIta tI tIK a tKI tIK a tt 调制前激光光强：设常数光强的最大值当光强受到调制时，不再是常数，按调制信号的规律变化，即：（）时间的函数设调制信号为(),则（是比例系数）则(17)(18)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:171.2 调制的分类调制的分类(2)频谱分析频谱分析0()sinma tAt000022ppK AImII光强最大增量光强平均值20()(1sin)cos()2pmccII tmtt(19)(20)第一章 激光调制与偏转

12、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:181.2 调制的分类调制的分类第一章 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:19调制的基本概念调制的基本概念 小结小结 什么是调制？什么是激光调制？如何进行激光调制？什么是调制？什么是激光调制？如何进行激光调制？根据调制的性质，可将调制分为哪几类？根据调制的性质，可将调制分为哪几类？试以振幅调制为例，分析试以振幅调制为例，分析 情况下的调制系数和调幅波的频谱情况。情况下的调制系数和调幅波的频谱情况。什么是脉冲调制？脉冲调制的类型包括哪些？什么是脉冲调制？脉冲调制的类型包括哪些？

13、0()()cos()()coscccme tA tta tAt载波信号：调制信号：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:201.3 电光调制电光调制 1.电光调制的物理基础：电光调制的物理基础：20nnnEhE 线性电光效应或泡克尔斯效应二次电光效应或克尔效应(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:21本小节主要内容本小节主要内容电光调制的物理基础电光调制的物理基础 1电光强度调制电光强度调制 2电光相位调制电光相位调制 3电光波导调制电光波导调制 4设计电光调制器注意问题设计电光调

14、制器注意问题 6电光偏转电光偏转 5纵向电光调制横向电光调制电致折射率变化电致折射率变化电光相位延迟电光相位延迟光偏振态的变化光偏振态的变化基本原理基本原理电光数字式偏转电光数字式偏转电电光光调调制制第一章 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Page:221.3 电光调制电光调制1).电致折射率变化（电致折射率变化（折射率椭球法折射率椭球法）未加电场时：施加电场后：2221xyzxyznnn2222222221234561111112221xyzyzxzxynnnnnnx、y、z分别为折射率椭球的主轴，即在晶体内沿着这些方向的电位移D和电场强度E是相互平

15、行的；nx、ny、nz分别是三个方向主折射率。(2)(3)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:231.3 电光调制电光调制折射率椭球各系数变化量：张量的矩阵形式如式：3211i jjjiEni j线性电光系数212211121321222312331323324142433245152536162632526111111nnEnEEnnn电光张量，由晶体参数决定。(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:241.3 电光调制电光调制以KDP晶体为例，负单轴晶体。41526300

16、0000000000000ij 设外加电场平行于z轴：03633631212xyzexoozyoozzennnnnnnnEnnnEnn加电场前折射率加电场后折射率(6)(7)(8)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:25表1-2-1 KDP型(42m晶类)晶体的半波电压和 (波长0.5um)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:261.3 电光调制电光调制2).电光相位延迟电光相位延迟一束线偏振光沿一束线偏振光沿z轴入射，可分解为沿轴入射，可分解为沿x和和y方向的两个垂直偏方向的两个垂

17、直偏振分量。使得两方向的光经过长度振分量。使得两方向的光经过长度L后走的光程不一样。相位后走的光程不一样。相位延迟：延迟：300633006322122212xynxznyzLn LnnELn LnnE穿过晶体后的相位差：33063063222yxnnyxzLnnLnEnV产生的相位延迟与所加电压成正比。产生的相位延迟与所加电压成正比。(9)(10)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:271.3 电光调制电光调制 相位差改变相位差改变时，所加的电压，称为半波电压：时，所加的电压，称为半波电压：半波电压是表征电光晶体性能优劣的一个重要参数。

18、这半波电压是表征电光晶体性能优劣的一个重要参数。这个电压越低越好。个电压越低越好。/230632Vn(11)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:281.3 电光调制电光调制3).光偏振态的变化光偏振态的变化一般情况下，入射的线偏振光通过加电压的晶体后，出射光为一椭圆偏振光：2222212122cossinyyxxEEEEAAAA相位延迟与所加电压成正比，选择合适电压，可使出射光的偏振态发生改变。33063063222yxnnyxzLnnLnEnV(12)(10)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

19、术系Page:291.3 电光调制电光调制2120,1,2,30yxnnEEAA(1).不加电场时，=2说明：出射光为线偏振光，且与入射光的偏振方向一致；“全波片”22221212V/20,1,2,31;yxnnEEAAAA/4(2).加时，=说明：当时，出射光为圆偏振光；“四分之一波片”212V210,1,2,30;yxnnEEAA/2(3).加时，=说明：出射光为线偏振光，偏振方向相对入射光旋转了2 角；“半波片”(13)(14)(15)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:301.3 电光调制电光调制当外加电压在0 V/2变化时，出射

20、光偏振态变化：线偏振椭圆偏振圆偏振线偏振。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:311.3 电光调制电光调制2.电光强度调制电光强度调制1).纵向电光调制（电场方向与通光方向一致）纵向电光调制（电场方向与通光方向一致）由于电光效应引起的双折射，从晶体出射的两分量的相位差：36322()yxonnlnV通过检偏器的输出光强：223063sinsin()2oIInV0I当加在晶体上的电压V的改变使 从0到之间变化，则I从0I0变化(10)(16)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:321.

21、3 电光调制电光调制223063sinsin()2oIInV0I评价：结构简单、工作稳定、不存在自然双折射；缺点：半波电压太高，功耗大！(16)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:331.3 电光调制电光调制2).横向电光调制（电场方向与通光方向垂直）横向电光调制（电场方向与通光方向垂直）30632212xzoeLnnLnnLnVd(17)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:341.3 电光调制电光调制相位差包括两部分：相位差包括两部分：补偿措施：补偿措施：30631222xezon

22、nLLnVdnnL(17)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:351.3 电光调制电光调制31063212yzoeznnnEL31063212zyeoznnnEL3120632LnVd 可见，自然双折射得到补偿。合理选择晶体的纵横比，可降低半波电压。评价：两块晶体结构复杂、尺寸加工要求高；降低半波电压。(17)(18)(19)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:361.3 电光调制电光调制3223221212xooyyooyzennnEnnnEnn从上式可以看出：只与加在晶体上的电压

23、V和晶体的尺寸有关，可改变晶体的尺寸，降低半波电压。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。3122222()olnnlnVd(20)(21)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:371.3 电光调制电光调制3.电光相位调制电光相位调制入射晶体的线偏振光不再分解成沿x和y两个分量，而是沿x轴（或y轴）一个方向偏振，故外加电场不改变出射光的偏振态，仅改变其相位。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:381.3 电光调制电

24、光调制2cxxxn Ln Lc 3006312xxznnnnE sinzmmEEtcosinccEAt3063cossin2coutccmmEAtnLEtc相位变化为：光波只沿x方向偏振，则：外加电场：在晶体入射面z=0处的光场为：则z=L处的光场为：(22)(23)(24)(25)(26)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:391.3 电光调制电光调制4.电光波导调制电光波导调制矩形波导平板波导平面波导渐变折射率第一章 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:401.3 电光调制电光调制第一章

25、 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:411.3 电光调制电光调制5.电光偏转电光偏转1).电光偏转的原理电光偏转的原理-nn xnxd,ABLLTnnTnccABcnyTTLnn(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ynL dnLdndn dx ndnnLLddx (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 第一章

26、 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：2).电光晶体材料的选择：电光晶体材料的选择：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4).电光晶体尺寸的选择电光晶体尺寸的选择第一章 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

27、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、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？