第七章激光技術一、光波的調制

光調制：通過改變載波的振幅、強度、頻率、

相位、偏振等參數來攜帶信息

光調制的分類：內腔調制（電光調制）

外腔調制（聲光調制，磁光調制）

直接調制（電源調制）

1、等幅光頻信號的頻譜

沿一定方向傳播的單色光頻信號，數學表達式為考慮到信號是定域的，信號由多個正弦波構成圖7.12、光頻信號的幅度調制幅度調制（AM）：將幅度E用隨時間變化的量代替，即光頻信號的幅度按調制信號形式發生變化一般情況下

其中

分別為上邊帶分量和下邊帶分量，具有相等幅度，呈對稱分布。調制系數多頻調幅3、光頻信號的頻率和相位調制相位調制（PM）頻率調制（FM）相位調制的峰值相移和調制信號幅度成正比，頻率調制的頻偏和調制信號幅度成正比，二者本質上是一樣的圖7.57.74、光頻信號的強度調制強度調制是指光頻載波的振幅平方受到調制，由于一般光探測器件都和光強有直接關系，所以被普遍應用MI強度調制系數對多種調制信號圖7.9圖7.85、光頻信號的脈沖調制與脈沖編碼調制脈沖調制是用一種斷續的周期性脈沖序列作為載波，這種載波受到調制信號的控制，脈沖的幅度、位置、頻率等隨調制信號變化而傳遞信息脈沖調制分為脈沖調幅(PAM)、脈沖強度調制(PIM)、脈沖頻率調制(PFM)、脈沖調位(PPM)、脈沖調寬(PWM)脈沖強度調制脈位調制脈沖調頻脈沖編碼調制脈沖編碼調制包括三個過程：抽樣、量化和編碼抽樣：把連續的信號波分割成不連續的脈沖序列量化：把抽樣后的脈幅調制信號分級取整，用最接近的整數值代替實際值編碼：通過量化變成用數字表示的信號，再把這種信號變換成相應的二進制代碼圖7.12二、電光調制電光調制的物理基礎就是電光效應。電光效應：物質的折射率因外加電場而發生變化的一

種效應。

包括:線性電光效應（Pockel效應）和二次電

光效應(kerr效應)單軸晶體1.電光效應晶體在外電場的作用下，其極化率張量和折射率會發生變化。這種由于外電場引起的晶體介電和光學特性變化的現象就稱為電光效應介質的折射率在電場作用下在E不太大的情況下，n(E)只包含E和E2項。把折射率隨電場線性變化的稱為普克爾效應（Pockel），把折射率包含二次項的稱為克爾效應（Kerr）或二次電光效應。克爾效應對任何晶體都存在，普克爾效應在反演對稱晶體中不存在。一般情況下普克爾效應要大于克爾效應，因此僅討論普克爾效應在外電場的作用下，折射率橢球將發生變化，原來光軸沿Z方向的橢球方程不成立，應寫為一般形式加電場后只考慮普克爾效應由于Δn較小i=1,2,…6寫成矩陣形式電光張量電光系數折射率橢球方程為KDP晶體的位相延遲KDP晶體的電光張量KDP的折射率橢球方程為若電場取Z方向，則xyxyx’y’45XY與X’Y’之間的轉換關系得到在X’Y’坐標系中的橢球方程或其中對KDP晶體，一般如果光波沿Z方向轉播，則光波X’的偏振分量和Y’的偏振分量通過晶體后會產生位相差，設晶體厚度為l，則位相差為V為晶體二端所加電壓當位相差為時，所加電壓為稱為半波電壓根據半波電壓，位相差又可寫為一線偏光在X’Y’坐標中可以分解為通過晶體后合成后的偏振光的電矢量振動軌跡為圖7。152.電光調制正交偏振片，放光電晶體和1/4波片，波片光軸和x交45度以x’y’為坐標系，入射光通過晶體和波片后，x’和y’方向的電場位相差為因此出射的光波電場為通過檢偏鏡后的電場為透過的光強透過率若外電壓V為信號調制電壓，即因此由于Vm很小，所以電壓沿光傳播方向，稱為縱向調制外電場和光傳播方向垂直，稱為橫向調制自偏置橫向調制的優點：1.電極不會遮擋光路；2.無需波片；3.可增加長度減小d來降低電壓，增加光電效應缺點：對溫度敏感3、聲光調制超聲波在介質中傳播時，引起介質密度交替變化，其折射率也發生相應變化。存在超聲波的介質可以看作一個超聲光柵，光柵常數等于波長。入射光被光柵衍射，衍射光的強度、頻率和方向都隨超聲場而變化。聲波在介質中傳播分行波和駐波兩種形式。行波所形成的超聲光柵是空間移動的，介質折射率的增大減小是交替變化的，并以聲速向前推進。折射率的瞬時空間變化可以表示為

駐波形成的相位光柵是固定在空間的，可以認為是兩個相向行波疊加的結果，介質折射率隨時間變化的規律為聲光相互作用按照各級衍射光動量失配程度的不同，分為拉曼-奈斯衍射和布拉格衍射。為了界定兩種類型的衍射，引入參Q，當Q<0.3時為拉曼-奈斯衍射，當Q>4π時為布拉格衍射。拉曼-奈斯衍射：超聲頻率較低，聲光作用長度較短，超聲光柵與普通平面光柵類似，因此光通過光柵后將產生多級衍射，各級衍射對稱的分布在零級光兩側布拉格衍射：聲波頻率較高，聲光作用長度L較大，而且光線與聲波面之間的角度滿足布拉格條件。布拉格聲光調制器的效率較高。

布喇格衍射光通過聲光效應產生的光柵后會產生二種衍射：布喇格衍射和喇曼-奈斯衍射布喇格衍射是指聲頻很高，聲光作用距離較長，入射光和聲波有一定夾角，只產生一個衍射級次的衍射布喇格衍射中入射光穿過多層的高低折射率層，衍射光在反射方向形成相干極大5.26a設聲波長為s，根據相干疊加原理，相干極大滿足稱為布喇格角，等式稱為布喇格條件要滿足布喇格衍射，光應至少穿過二層波陣面，則從量子力學理論來看，聲光作用是光子和聲子的結合圖5.26b因此衍射光相對入射光有一頻移布喇格衍射的衍射光強0級光強衍射光強其中Is超聲強度因此衍射光強可寫為品質因素一級衍射效率為令喇曼-奈斯衍射L較小，聲頻較低，滿足喇曼-奈斯衍射滿足普通光柵衍射的特性喇曼-奈斯衍射也存在頻率漂移衍射光光強Jm一類貝塞爾函數5.27聲光調制器聲光調制器：應用聲光相互作用，對光波的強度、相位、傳播方向和頻率等進行調制。

聲光調制器一般由聲光晶體、壓電換能器、吸聲裝置、驅動電源組成。驅動電源產生高頻功率信號，由電極加到壓電換能器兩端，再將電功率信號轉換成超聲波，通過耦合層耦合到聲光介質中，介質在超聲波的作用下，折射率發生變化，形成相位光柵，對入射光進行調制。鍵合層電極電極引線壓電換能器聲光晶體法拉第效應光學介質的折射率隨波長的變化稱為色散折射率的變化在介質吸收譜附近會發生突變，稱為反常色散區在外磁場的作用下，物質的吸收譜會發生分裂，分裂出二條對稱于原光譜的吸收譜，分別對應于左旋光和右旋光浦線分裂導致反常色散區的分裂，使得對某一頻率的光譜左旋光和右旋光產生不同的折射率圖5.294、磁光效應與磁光隔離器設左旋光和右旋光的折射率分別為n左和n右，通過介質長度l，則位相差合成后線偏光的轉角其中和H成正比因此線偏振光的轉角其中K稱為范德特常數圖5.30磁光調制可用于光纖通信中做光隔離器、光開關等。線性磁光調制：利用法拉第旋光效應完成的一種磁光調制。將一磁光介質（YIG棒）置于恒磁場中，棒的兩側分別放置起偏器和檢偏器。輸入光經過起偏器后為線偏光，再通過電磁場發生法拉第效應。旋轉的角度滿足下面公式：由此可知，輸出光的偏振方向或旋轉角受到射頻信號的調制，且是線性調制。

射頻激勵源YIG棒檢偏器輸出光磁光隔離器：由于法拉第效應的不可逆性，使得它在激光系統中有著重要的應用。例如在激光系統中，為了避免光路中各光學界面的反射光對激光源產生干擾。可利用法拉第效應制成光隔離器，只允許光從一個方向通過，不允許反向通過。

法拉第光旋轉器/光隔離器廣泛應用于各種激光系統中，如多級激光放大器，光參量振蕩器，環形激光器，摻餌光纖放大器，種子注入型激光器等激光放大器P1改進型葛—湯棱鏡螺線管磁光材料與P1成45度的葛—湯棱鏡激光放大器調Q技術調Q技術：適用于脈沖激光器，壓縮脈寬，提高峰值功率品質因數：調Q技術又稱Q突變技術或Q開關技術，根據儲能方式不同可分為工作物質儲能方式和諧振腔儲能方式。工作物質調Q：能量以激活粒子的形式儲存在工作物質中，由上面的公式可知，單程損耗率與諧振腔Q值成反比，只要控制單程損耗率從高到低的階躍變化，就可實現Q值由低到高階躍變化。（圖在下頁）

諧振腔的損耗包括反射損耗、吸收損耗、衍射損耗、散射損耗、輸出損耗。控制反射損耗：轉鏡調Q技術和電光調Q技術控制吸收損耗：可飽和染料調Q技術控制衍射損耗：聲光調Q技術控制輸出損耗：透射式調Q技術和破壞全反射調Q技術諧振腔儲能調Q:使能量以光子形式儲存在諧振腔中，當腔內光子積累足夠多時，使之快速釋放到腔外，獲得強激光脈沖。由圖可知，諧振腔的Q值實現階躍變化時，腔內才開始有微弱的激光振蕩，經歷時間td后，激光的強度才達到峰值。對于典型的階躍變化時，形成激光脈沖需要一定的時間，巨脈沖的寬度一般達10ns-20ns。由于這種調Q激光器是一邊形成激光巨脈沖，一邊從部分反射鏡端輸出。因此，所得輸出脈沖的形狀與腔內光強增減變化狀況一樣。另外，由于存在Nf,工作物質中有一部分能量未能取出，影響了激光器效率。而諧振腔儲能調Q可以很好的解決上述弊病。如下圖，把腔的部分反射鏡改為可控的全反射鏡，即可達到諧振腔儲能調Q目的全反鏡工作物質起偏器1電光晶體起偏器2全反鏡電光調Q激光器帶偏振器的Pockels電光調Q激光器：利用一個起偏棱鏡同時作為起偏器和檢偏器。如下圖，YAG為工作物質，用Z切割KDP晶體作調制晶體，利用其縱向電光效應，相當于1/4玻片。當線偏光通過晶體后產生相位差，或者說偏振面旋轉45度，往返晶體后，產生90度旋轉，此時偏振光不能在通過檢偏器。輸出腔鏡YAG偏振棱鏡KDP全反鏡可飽和吸收調Q激光器可飽和吸收調Q：根據某些物質對入射光具有強烈的非線性效應原理而形成的一種被動式調Q,目前可用于可飽和吸收物質有兩類：可飽和吸收晶體和可飽和吸收染料。調Q染料需要同時滿足以下要求：

1.染料對激光波長有強烈的可飽和吸收特性；

2.染料吸收帶寬盡量窄；

3.染料要有良好的光化學穩定性適用于紅寶石激光器的調Q染料有隱花青、釩鈦菁及葉綠素D染料，而對于汝玻璃和YAG激光器，有BDN和五甲川及十一甲川。染料調Q機理腔內插入可飽和吸收染料，開始時由于只吸收工作物質發出的較弱的熒光，吸收很強，透過率很低，相當于在腔內引入很大的損耗，Q值很低，腔內不能形成激光振蕩，工作物質處在儲能狀態。隨著工作物質的反轉粒子數密度提高，當反轉粒子數密度超過閾值后，腔內吸收迅速減小，形成激光巨脈沖。如果繼續光泵，則有可能形成第二個激光脈沖，甚至第三個脈沖。要得到單脈沖激光，則泵浦光的持續時間必須很短且強度不能太高。聲光調Q聲光調Q：利用激光通過聲光介質中的超聲場時產生衍射，使光束偏離出諧振腔，造成諧振腔的損耗增大，Q值下降，激光振蕩不能形成，從而在光泵激勵下其上能級反轉粒子數將不斷積累并達到飽和值，若此時突然撤出超聲場，則衍射效應立即消失，損耗值減小，Q值猛增，激光振蕩迅速恢復，其能量以巨脈沖形式輸出。如下圖氪燈高頻振蕩器脈沖振蕩器聲光介質吸聲材料輸出鏡換能器全反鏡YAG鎖模技術通過調Q技術所能獲得的最窄脈沖約為ns量級，要想獲得ps甚至fs量級的脈沖，則需要鎖模技術。鎖模原理：一般自由運轉的激光器，其輸出包含有若干超過閾值的縱模，這些模的振幅和相位均隨機變化。激光輸出隨時間的變化是各縱模無規則疊加的結果，是時間的平均統計值。而鎖模技術就是使各縱模之間的相角有一個確定的關系，從而得到超短脈沖的激光輸出。在鎖模技術中，各縱模相鄰頻率間隔相等并固定為

，并且具有固定的相對相位關系。激光器諧振腔中由許多頻率間隔很小的縱模組成，設第q個模式的電矢量為那么激光器內n個縱模輸出的總輻射場為使各個縱模的振幅相等，頻率間隔相等，位相相關，就能達到鎖模目的。鎖模激光具有如下性質：

1.腔長為L的激光器，其縱模間隔為，對于多模激光器的鎖模結果，出現了相鄰脈沖值間的時間間隔為t=2L/C的規則脈沖序列。可見鎖模脈沖的周期t等于光在腔內來回一次的時間。

2.鎖模激光脈沖的寬度可由下式確定

鎖模方法根據不同類型激光器性能和鎖模要求，縱模鎖定的方法有主動鎖模和被動鎖模兩類。主動鎖模：也稱內調制鎖模，它采用的是周期性調制激光諧振腔參量的方法，即在腔內插入一個調制器進行模式鎖定的技術。調制器的調制頻率應精確的等于縱模間隔。主動鎖模有可分為振幅調制鎖模和相位調制鎖模。振幅調制鎖模方法：調制激光工作物質的增益或腔內損耗，利用聲光或電光調制器均可實現振幅調制鎖模。例如在腔內插入損耗調制器，若損耗調制頻率為c/2L。相位調制鎖模：又可稱為頻率調制。具體方案是在激光諧振腔中插入一個電光晶體，作為相位調制器，利用電光晶體的折射率隨外加電壓的變化，產生相位調制。相位調制器的作用可以理解為一種頻移，使光波的頻率發生向大的或小的方向移動。當激光脈沖每經過相位調制器一次，就產生一次頻移，直至移到增益曲線以外。但只有那些在相位變化的極值處（極大或極小）通過調制器的光信號，才能在腔內保存下來，從而形成振蕩。被動鎖模（可飽和吸收染料鎖模）被動鎖模：在激光諧振腔內插入以薄層的可吸收體（如染料盒）可構成被動鎖模激光器。可飽和吸收體是一種非線性介質，其透過率與光強有關。當光強較弱時對光吸收很強，因此光透過率很低。但隨著激光強度增加，吸收減少，當激光強度增加到一特定值時可飽和吸收體的透過率為100%，使強度最大的激光脈沖經受最小的損耗，從而得到很強的鎖模脈沖。可飽和吸收體M3M1M2染料激光介質M4選模技術激光振蕩通常是多模振蕩，包括多縱模和多橫模。盡管諧振腔對縱模和橫模有限制作用，但在有些場合，如要求提高相干長度是，則需要進行選模，即實現單一頻率、單一空間波形振蕩。橫模選擇：激光器以單橫模運轉的充分條件是，基橫模的單程增益大于單程損耗，而高階橫模的單程增益小于損耗。要達到選模的效果，就必須增大高階橫模和基橫模的衍射損耗比，即比值越大，則橫模鑒別力越高。光闌法選模

1.小孔光闌選模：在諧振腔內插入小孔光闌，光闌的孔徑與基

橫模的有效光束半徑大致相等。2.聚焦光闌法：為了擴大基模橫體積，充分利用激光工作物質，

在小孔光闌選模結構基礎上，在諧振腔內安置透鏡。具體辦

法是將小孔光闌放在透鏡的焦點上。3.貓眼腔選橫模方法：在聚焦光闌法的結構基礎上稍作改進。縱模選擇色散腔法：利用腔鏡的反射模的光譜特性或在腔內插入棱鏡或光柵等色散元件，將工作物質發出的不同波長的光束在空間分離，然后設法只使較窄波長區域內的光束在腔內形成振蕩，其他波長的光束因不具反饋能力而被抑制掉。q-1qq+1當三個縱模頻率q，q-1，q+1在腔內同時存在時，通過透鏡或光柵后分離開，只有q的行進方向與反射鏡垂直，在腔內形成振蕩，其他頻率的光被抑制掉。干涉選模法（F-P標準具法）：在諧振腔靠全反射鏡一段端插入平行平板，板的兩面鍍光學薄膜使之有一定的反射率，板的本身就有法布里-泊羅標準具的作用。平行平板的透射率是入射波長的函數，可寫成輸出鏡工作物質平行平面鏡全反鏡短腔法：激光振蕩縱模數主要有工作物質熒光線寬和諧振腔的兩個縱模間隔去定。而縱模的頻率間隔與腔長L成反比。因此可以通過縮短諧振腔腔長L增大相鄰縱模頻率間隔，使得在熒光譜線寬度內，只存在一個縱模振蕩，從而實現單縱模振蕩。短腔法只適用與增益線寬較窄的激光器，原因是腔長縮短，必然影響激光的輸出功率。穩頻技術激光頻率的穩定度影響激光頻率穩定性的因素：激光振蕩頻率主要由諧振腔決定，若腔長或介質折射率發生變化，則激光振蕩頻率也將發生變化，即由上式可以看出，激光頻率的穩定問題，可以歸結為保持腔長和折射率穩定的問題。例如：

1.環境穩定的起伏或硬質玻璃的內腔式He-Ne激光工作是發熱，使腔長隨著溫度的改變而伸縮。

2.機械振動導致光學諧振腔的諧振頻率變化。激光器的穩頻方法蘭姆凹陷穩頻蘭姆凹陷：基于多普勒加寬線型增益曲線的燒孔效應，一個振蕩頻率在增益曲線上能燒兩個孔。當激光頻率向中心頻率靠近時，量孔的面積正比于每一個縱模消耗的反轉集居數。當兩孔相連時，在中心頻率處出現凹陷，稱為蘭姆凹陷。蘭姆凹陷穩頻：以增益曲線中心頻率做為參考頻率，通過電子伺服系統驅動壓電陶瓷環來控制激光器的腔長，它可以使頻率穩定于中心頻率處。蘭姆凹陷法可獲得優于的頻率穩定度塞曼效應穩頻塞曼效應：當一個發光原子系統具有一定高斯量的磁場中，其原子的譜線在磁場的作用下會發生分裂，利用塞曼效應可實現激光器的穩頻。雙頻激光器穩頻：當激光管施加了縱向磁場后，由于塞曼效應，光譜線發生塞曼分裂，一個是頻率較高的左旋圓偏光，另一個是頻率較低的右旋圓偏光。頻差為從蘭姆凹陷穩頻和塞曼效應穩頻方法可知，要提高激光輸出的頻率穩定性和復現性的關鍵是選擇一個穩定的盡可能窄的參考頻率。為了提高精度，通常采用外界參考頻率標準進行穩頻，如分子飽和吸收穩頻法。飽和吸收法穩頻：在外腔激光器的腔內放置一個吸收管，吸收管內充的氣體在激光振蕩頻率處有強吸收峰。對于he-ne激光，吸收管內充的氣體一般在0.13~1.3Pa，低壓氣體吸收峰的頻率很穩定，因此頻率復現性好。吸收管的氣體在吸收線的中心處產生吸收凹陷的機理和蘭姆凹陷相類似。激光倍頻及光參量放大非線性光學效應：電場作用于介質，在介質內部產生電偶極矩，使介質極化。當光強不是很強時，極化強度p與光波電場強度的一次方成正比，即線性關系。當作用于介質的光強很強時，介質的極化不僅與光波電場的一次方有關，而且還與光波電場的二次方、三次方等高次方有關，稱作非線性極化。在激光出現后，調Q激光器經過透鏡聚集后，所能得到的電場強度足以產生非線性效應。非線性效應可用于激光倍頻、激光混頻、激光參量放大、受激散射、多光子吸收、光學雙穩態。本節重點討論倍頻效應（二次光學諧波效應）、光參量放大。激光倍頻效應倍頻光當光波電場作用于介質時，介質產生極化。在光強不太強時，其極化強度和電場的關系為如果作用作用于介質的光強足夠強，介質的極化強度與電場強度的關系我們只考慮二次非線性項，與場強的關系倍頻技術是一種頻率轉換技術，由低頻光轉換成高頻光。要實現高效率倍頻，則必須實現相位匹配。相位匹配及倍頻轉換效率一片厚度為d的非線性晶體，正入射的基頻光波在晶體內任一點的電場強度為基頻光在晶體中感應產生倍頻的電偶極矩振蕩，輻射出倍頻光波，其相位應是相同位置的基頻光波相位的兩倍。倍頻光傳播到出射面時，相位就變成令相位匹配的條件就是此時轉換效率為最大。相位匹配的方法所謂實現相位匹配就是使，即倍頻光和基頻光具有相同的折射率，即，對于正常色散材料，倍頻光的折射率總是大于基頻光的折射率，不可能實現相位匹配。