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1、第六章、激光器的模式选择和调制技术,激光模式选择极其意义横模选择技术纵模选择技术激光模式测量技术激光调制的基本概念激光调制技术,1、激光模式选择极其意义,激光的优点在于功率高、方向性好、单色性和相干性好，一个理想的激光器输出光应按需要控制输出模式，很多情况下我们希望只输出单一的横模和纵模。因此产生了以控制输出光束发散角和光强分布为主要目的的横模选择技术，以及以获得窄线宽为主要目的纵模选择技术。,横模选择极其意义,激光器的横模决定了输出光束的光强分布和发散角从工业的钻孔、焊接到光通信，从激光医疗到激光测距，横模输出的选择都非常重要,TEM00模,TEM10模,TEM20模,TEM11模,TEM0
2、2模,TEM01模,TEM12模,TEM00模,TEM01模,TEM10模,TEM11模,激光横模偏振结构图,纵模选择极其意义,在激光器纵模频率间隔小于增益曲线宽度的情况下，如果不加任何控制，激光器一般将产生多纵模输出激光的很多应用中需要单色性很好的窄线宽光源，纵模选择在这时就是必不可少的技术,增益,损耗,实际振荡的纵模,半导体激光器的纵模,2、横模选择技术,激光振荡的建立条件是增益G大于损耗G=i+m+d其中i为激光在腔内传输由于散射、吸收产生的损耗，m为反射镜产生的损耗；d为谐振腔中由衍射产生的损耗。,选择横模的两个原则必须尽量增大高阶模与基模的衍射损耗比必须尽量减少腔内其他损耗i和镜面损
3、耗m，从而相对增大衍射损耗d在总损耗中的比例,激光器的横模花样,方形镜和圆形镜的激光横模花样,圆形镜腔的三个低阶模式的强度分布图,1、横模选择原理,初始光强为I0的某个横模，在谐振腔内经过一次往返后其光强变为：,阈值条件为：,由此得出：,若实现单横模运转，应使以下2式同时成立。,球面镜谐振腔的两个重要参数,g参数其中L为腔长，R为球面镜曲率半径。菲涅尔数其中a为腔内有效孔径的半径，L为腔长。衍射损耗是谐振腔参数g和菲涅尔数N的函数,腔参数g和菲涅尔数N与衍射损耗的关系,设计腔参数g、N选择横模,在增益较小的激光器件中，可以通过适当的腔参数设计选择基横模N一定时g参数绝对值越小，各模式的d也越小
4、，比值10/00增大。因此，考虑各模式的d，以及10/00，同时考虑模体积，适当选择g和N就可以选出基模。如He-Ne激光器。,圆形镜对称稳定腔两个低阶模的衍射损耗比,圆形镜平凹稳定腔两个低阶模的衍射损耗比,2、光阑法选横模,在激光谐振腔内插入小孔光阑相当于减小腔镜尺寸，即减小了谐振腔的菲涅耳数N。菲涅耳数越小，衍射损耗就越大。适当控制光阑尺寸，使腔内只有基模能够振荡。小孔光阑方法最简单易行，且有效。但同时须考虑模体积问题。,小孔光栏,腔镜1,腔镜2,r为小孔光栏半径，a为反射镜半径,小孔光栏选横模腔型举例,3、介稳腔和非稳腔选模,介稳腔和非稳腔由于模式衍射损耗增加，高阶模起振比较困难，所以只
5、要适当控制腔参数就可以实现基模输出。非稳腔还有模体积大，可以充分利用增益介质实现大功率输出的优点。,0,非稳区,非稳区,非稳区,非稳区,g1,g2,1,1,-1,-1,当谐振腔参数趋近介稳腔时损耗差迅速增加,4、特殊腔镜选模,1）高斯镜选模腔镜反射率呈高斯分布，使腔镜选择性对基模提供反馈，而对高阶模损耗很大，由此实现基模振荡。此技术可以有效选择模式输出，并实现大模体积运转，提高激光器的单模输出功率。,R,D,2）相位供轭反射镜谐振腔选横模,式中 是以方向余弦=u=v 传输的平行平面波。A(u.v)为复振幅。,设腔内为自由空间，腔长为l，傅立叶传输方程为,在一个激光谐振腔内设输出镜一端的光场分布
6、为：,全反镜一端复振幅可写为如果我们制作一个反射镜，反射系数R可以表示为其中*代表共轭,反射波则由下式表示,当其通过距离l的自由空间传播回输出镜时有将输出镜系数选择为这样经过一次往返实现了自在现。实际上我们可以设计任意强度分布和形状的光场作为我们希望的振荡模式，制造一对符合要求的相位共轭镜，以达到选模目的。,经过共轭镜反射后光强分布的复原过程,共轭反射镜的测试光路,5）横模的叠加与转换,以TEM01模为例讨论模式的叠加与转换右图上部为doughnut mode 的波前下面为模式的光强分布花样它是由两个不同偏振和光强分布的TEM01模叠加组成的,both the Hermite Gaussian
7、,and the Laguerre Gaussian,3、纵模选择技术,色散腔法粗选波长短腔法选纵模F-P标准具法复合腔法选纵模行波腔选纵模其他纵模选择方式,色散腔粗选波长,当激光工作物质中有多个能级间可以发生激光跃迁，从而可以产生多波长激光辐射的情况下或者工作物质有相当宽的增益线宽如果在应用中，需要选出对应某一波长附近的一个或一组纵模时利用色散腔选择纵模是最为实用且有效的方法,棱镜色散腔,光栅色散腔,外腔半导体激光器,短腔法选纵模,谐振腔模间隔=C/2nL如果设计腔长L使模间隔 增益曲线宽度 g则可以实现单纵模工作例如：He-Ne 10cmCO23mVCSEL,损耗,F-P标准具选模,标准具
8、,腔镜1,腔镜2,激光介质,双标准具组,腔镜1,腔镜2,激光介质,两标准具的厚度不同纵模间隔不同振荡模式必须同时符合三个谐振腔的参数要求从而达到选模目的,复合腔法选纵模,迈克尔逊式复合腔=C/2n(l1-l2)2、Fox-Smith式复合腔=C/2n(l1+l2),l1,l2,l1,l2,行波腔选纵模法,在均匀加宽工作物质中，以行波方式产生激光振荡，消除空间烧孔效应就可以实现单纵模输出,4、激光模式测量技术,横模测量技术1、直接观测法2、小孔扫描法3、CCD成像,激光器,激光器,CCD,衰减片,扩束透镜,.,纵模测量技术,扫描干涉仪光谱分析仪,匹配透镜,隔离器,光栏,压电陶瓷,探测器,5、激光
9、调制的基本概念,应用某种方法对激光的强度、频率、相位等参数进行调制称为激光调制把准备传输的信息加载于激光载波的过程应用激光调制技术激光调制根据其与激光器的关系，可分为内调制和外调制内调制是指加载调制信号在激光振荡过程中进行，即以调制信号的规律去改变激光振荡参数，从而改变激光输出特性以实现调制外调制是指加载信号在激光输出后进行，通常是在激光谐振腔外，光路上放置调制器。激光调制有调幅、调频、调相和脉冲调制等方式,6、激光调制技术,调制的基本概念内调制外调制电光调制声光调制磁光调制干涉调制其他调制技术,1、调制的基本概念,振幅调制频率调制和相位调制强度调制脉冲调制脉冲编码调制,模拟调制,数字调制,内
10、调制,主要用于半导体激光器通过改变驱动电流实现对输出光的调制一般通信采用强度调制也可进行频率调制既可以进行数字通信，也可以传输模拟信号一般直接调制速率很难超过5G,外调制,1、电光调制有两种调制中常用的电光效应，一种是折射率的变化量与外电场强度的一次方成比例，称为泡克耳斯（Pockels）效应；另一种是折射率的变化量与外电场强度的二次方成比例，称为克尔（Kerr）效应。利用克尔效应制成的调制器，称为克尔盒，其中的光学介质为具有电光效应的液体有机化合物。利用泡克耳斯效应制成的调制器，称为泡克耳斯盒，其中的光学介质为非中心对称的压电晶体。泡克耳斯盒又有纵向调制器和横向调制器两种。,常用电光调制技术
11、,电光调制原理纵向电光调制nx=no1/2no363Ezny=no+1/2no363Eznz=ne横向电光调制,x,y,y,z,x,V,起偏器,检偏器,/4,x,z,y,检偏器,V,纵向电光调制原理,在x方向折射率比原来减小了1/2n0363Ez，而y方向的折射率则增加了1/2n0363Ez，如图2018（b）所示。当沿z轴方向入射的线偏振光进入晶体后，即沿x、y方向分解为两个互相垂直的偏振分量。由于它们的折射率不同，则沿x方向振动的光传播速度快，称为“快光”；而沿y方向振动的光传播速度慢，称为“慢光”。则两束光经晶体（长度为L）后，将产生位相差，则有：=2/(nxny)L=2/n0363Ez
12、L=2/n0363V,，当晶体上所加电压在0-V2之间连续变化时，其也就随着从0-，则其合成振动的轨迹不断经历着从直线椭圆圆椭圆直线周而复始的连续变化。这种变化的偏振光通过检偏器A，即可得光强度的周期变化（强度调制）。光强与相位差的关系如图曲线所示。,透射率（I/Ii）随外加电压变化的光强调制特性曲线,I/Ii=sin2(1/22/n0363V)=sin2(/2V/V),加/4波片的泡克耳斯盒示意图,泡克耳斯盒加/4波片与不加/4波片的区别示意图a)不加/4波片 b)加/4波片,泡克耳斯效应的时间响应特别快，能跟得上1010Hz的电压变化，而且与U成线性关系，所以多用泡克耳斯盒来作电光调制器。
13、,横向电光调制器（磷酸氢钾类晶体第一种运用方式）的组成如图所示。主要由起偏器、调制晶体（45-z切割）、检偏器等组成。因为沿z轴方向外加电场，所以Ex=Ey=0,Ez=E，但因通光方向与z轴相垂直，并沿着 y方向入射，则进入晶体后，将分解为沿 x、z方向振动的二分量。有：nx-nz=n0-1/2n0363Ez-ne当通光方向上晶体长度为L，厚度为d，外加电压V=Ezd,则从晶体出射时的相位差为,横向电光调制原理,=2/(nx-nz)L=2/(n0-ne)L-1/2n0363(L/d)V 由上式可知，在横向运用时，光通过晶体后的相位差包括两部分：第一部分是与外电场无关，由晶体本身的自然双折射所引
14、起的相位延迟，即上式中的第一项。它对调制器的工作没有什么作用，当温度变化时，还会带来不利影响，应设法消除。第二部分是外加电场作用产生的相位延迟，它与外加电压V和晶体的尺寸(L/d)有关，所以适当选择晶体的尺寸，可降低其半波压。一般横向调制器横向运用时其半波电压要低于纵向运用。,组合调制器进行温度补偿,自然双折射引起的相位差随温度改变调制器一般需要做温度控制为更好的减小温度漂移的影响常用组合调制器进行温度补偿,z,z,.,x,y,x,z,.,y,z,x,/2,E,E,E,E,光学级铌酸锂晶体(LiNbO3)铌酸锂是非线性光学级晶体，广泛应用于参量振荡器、倍频、声光器件、光学调制器。MgO的掺入可
15、有效提高晶体的抗损伤阈值、,目前大量使用的光波导器件是在铌酸锂基片上采用钛扩散或质子交换工艺，利用线性电光效应制成光相位调制器、光开关、光滤波器、光衰减器等。主要应用于光纤通信、光纤传感、光学仪器、光信息处理和光计算等方面。可加工不同角度及尺寸的铌酸锂晶片、晶条，制成检波片、偏振片等，用于制作光偏转器、光调制器、光隔离器等。主要应用于光纤通信产业中的光无源器件。,光通信中使用的高速铌酸锂调制器,铌酸锂光波导高速相位调制器,2、声光调制,超声波在声光介质中传播会引起介质密度呈疏密交替的变化，其折射率也发生相应变化。超声波作用的这部分介质即可视为一个相位光栅，其周期等于声波波长。声波在介质中传播分
16、为行波和驻波两种形式，行波形成的光栅是移动的驻波光栅是静止的,n,距离,平均折射率,入射光,I1,I2,I0,I-1,I-2,i,2i,喇曼衍射,布喇格衍射,声光调制原理,F,E,声光器件的基本结构示意图,声光器件由声光介质和换能器两部分组成。常用的声光介质有钼酸铅晶体（PM）、氧化碲晶体和熔石英等。换能器即超声波发生器，它是利用压电晶体使电压信号变为超声波，并向声光介质中发射的一种能量变换器。,实用声光调制器,声光介质。声光介质是声光相互作用的场所，常用的声光材料有液体、玻璃和无晶体等,声光介质材料的性能对调制器的质量有直接的影响。因此合理选择声光材料是很重要的。主要应考虑以下几方面因素：,
17、提高调制效率，减小声功率。=I/Ii=sin2(v/2)调制器应有较大调制带宽电声换能器（又称超声波发生器）换能器的声阻抗应尽可能接近介质的阻抗高效率的吸声（或反射）装置,声光移频,ki,ks,kd,声光介质和生光调制器,3、磁光调制,磁光调制器是利用法拉第效应制成的调制功率低受温度影响小由于大多现有磁光介质对波长小于1微米的光吸收损耗大所以主要用于对1微米以上红外光的调制,调制电源,起偏器,检偏器,磁光调制原理,原来没有旋光性的透明介质，如水、铅玻璃等，放在强磁场中，可产生旋光性，这种现象称为法拉第效应。具体的现象是，把磁光介质放到磁场中，使光线平行于磁场方向通过介质时，入射的平面偏振光的振
18、动方向就会发生旋转，转移角度的大小与磁光介质的性质、光程和磁场强度等因素有关。其规律为 VlHcos式中，为振动面旋转的角度，l为光程，H为磁场强度，为光线与磁场的夹角，V为比例常数，称韦尔代(Verdet)常数，它与磁光介质和入射光的波长有关，是一个表征介质磁光特性强弱的参量。,磁光调制器结构简图,电磁线圈,磁光调制,线偏振光可以分解为旋转方向相反的两个圆偏振光它们在磁光作用下以两种不同速度v+=c/nR,v-=c/nL传输，通过磁光介质后产生不同相位延迟=1-2=2/（nR-nL)L偏转角度=/2常用晶体钇铁石榴石（YIG）晶体。,4、干涉调制,迈克尔逊干涉,Mach-Zehnder 干涉,5、其他调制技术,机械转镜调制电控微型反射镜MEMS（micro electromechanical system)电吸收调制与半导体激光器集成的EA调制器,本章小结,激光器的横模选择激光器的纵模选择激光模式的测量技术电光调制技术声光调制技术磁光调制技术,作业,1、证明：1）迈克尔逊式复合腔=C/2n(l1-l2)，2）Fox-Smith式复合腔=C/2n(l1+l2)2、有一腔长L为1.5米，全反镜R=3米的平凹腔YAG激光器，设计一个小孔光栏，放在腔内合适位置实现基模工作。3、比较横向和纵向电光调制，并讨论其优劣。,
