第七章 激光技术

ny nx
2

Lno3 63 Ez
2

no3 63V
（7.2.6）
V Ez L —沿z轴加的电压
当波长和电光晶体确定后，相位差的变化仅决定于外电压。相位延迟完 全决定于电光效应造成的双折射。
§7.3 声光调制
一、声光调制的物理基础 二、声光互作用的两种类型 三、声光调制器
2.频率调制（FM)和位相调制(PM)
定义：光载波的频率或相位随着调制信号的变化规律而变化的振荡。
因两种调制波都表现为总相位角
(t ) 的变化，统称为角度调制。
载波信号：ec t Ac cosc t c
设调制信号： t c t c k f at 其中at Am cosm t , k f 为系数
（7.1.11）
光强调制波的频谱可用前面类似的办法求得，和调幅波略有不同，除了 载频及对称分布的两边频之外，还有低频和直流分量。
图7.1.3 强度调制波的频谱及强度调制信号
13
4.脉冲调制
以上几种调制方式所得到的调制波是一种连续振荡的波，称为模拟方
式调制。目前光通信中还广泛采用一种不连续状态下进行调制的脉冲调制
28
一、自然旋光效应
1. 自然旋光现象 一束线偏振光沿石英晶体的光轴方向传播 时，其振动平面会相对原方向转过一个角度。 由于石英晶体是单轴晶体，光沿着光轴方向 传播不会发生双折射，因而该现象应属另外 一种新现象，这就是旋光现象。
实验证明，一定波长的线偏振光通过旋光介质时，光振动方向转过 的角度θ与在该介质中通过的距离l成正比：
4. 调制器(Modulator):完成将一个携带信息的信号叠加到载波光波上这一
过程的器件。
光调制：改变载波（光波）的振幅、强度、频率、相位、偏振等参数,使之 携带信息的过程。
二、光调制的分类
1.根据调制器和激光器的相对关系：直接调制、内腔调制和外腔调制；
2.根据调制器的工作原理，可以分为电光调制、声光调制、磁光调制；
根据调制器的工作原理，可以分为电光调制、声光调制、磁光调制和电
源调制。 激光调制按其性质可以分为：调幅、调频、调相以及强度调制等。
3.振幅调制、频率调制、相位调制、强度调制和脉冲调制。
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§7.2 电光调制
一、电光效应 二、电致折射率变化 三、电光相位延迟
一、电光效应
物理基础：电光效应 电光效应：某些晶体在外加电场的作用下，其折射率将发生变化，当光 场通过此介质时，其传输特性就受到影响而改变。 晶体折射率可写为（当有外加电场时）：
载波信号：ec t Ac cosc t c
（7.1.1） （7.1.2）
设调制信号：At Ac at Ac Am cosm t
调制光波：et Ac Am cosm t cosc t c
（7.1.3）
1 利用三角函数公式： cos cos cos cos 2
光强：I t e 2 t Ac2 cos2 c t c
设调制信号：at Am cosm t
（7.1.10）
A2 c 强度调制信号：I t e t 1 m p cos m t cos2 c t c 2
2


其中，m p k p Am为强度调制系数
x2
2 x

y2
2 y

z2
z2
1
（7.2.2）
x , y , z为介质的主轴方向； x , y , z为主折射率。
以KDP晶体为例 （ηx= η y= η o, η z= η e,以及η o> η e）。 当晶体加外电场时，假设外电场方向平行于z轴，则新方程为：
1 2 1 2 1 2 2 63 E Z x 2 63 E Z y 2 z 1 e 0 0
和数字式调制（脉冲编码调制）。
定义：用间歇的周期性脉冲作为载波，这种载波的某一参量按调制信号 规律变化的调制方法。
PM方式下，只需简单地开关正弦波。这是一种发送摩尔斯式电码的简易方式。
小结
1.光调制：改变载波（光波）的振幅、强度、频率、相位、偏振等参数 ,使 之携带信息的过程。
2.调制器的分类： 根据调制器和激光器的相对关系，可以分为内腔调制和外腔调制两种。
a x , t A cos s t k s x x , t da k s A si n s t k s x dt
结论：声行波形成的光栅以声 速向前推进，频率为fs
结论：声驻波在一个周期内，介质 两次出现疏密层，若超声频率为fs， 光栅出现和消失的次数为2fs，光波 通过该介质后受到的调制频率为2fs。
声光调制=利用声光效应将信息加载于光频载波上。 调制信号以电信号形式作用于电声换能器上 场 光强 强度调制波。 超声
类似于电光强度调制，一般情况下为非线性调制，需加超声 偏臵，使其工作在线性较好的区域。
调制特性曲线
27
§7.4
磁光效应与磁光隔离器
一、自然旋光效应
二、磁光效应——法拉第效应
三、磁光调制器
（7.1.5）
调频波的总相角为：

t c k f a t dt c c t c m f sin m t （7.1.6）
其中：m f k f Am


调频信号：et Ac cos c t c m f sinm t
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一、声光调制的物理基础
物理基础：声光相互作用
声波在介质中传播时，介质的折射
率沿声波的传播方向发生周期性变化。 介质就如同一个光学的“相位光 栅”。 当光波通过此介质时，就会产生光
的衍射。衍射光的强度、频率、方向等
都随着超声场的变化而变化。
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超声驻波 超声行波在介质中的传播
a x , t 2 A cosk s x cos s t da 2 s A cosk s x sin s t dt
m
为调频系数

（7.1.7）
et Ac cos c t c m f sinm t
利用三角函数公式： cos cos cos sin sin


c t c sin m f sinmt et Ac cosc t c cos m f sinm t sin

角度调制波的频谱及角度调制信号
FM无线电台和数以百计的无线电技术（包括电视信号、无绳电话、 手机等）都是使用调频的。 调频的优点是很大程度上不受静电影响。在
调频中，发射器正弦波的频率根据信息信号产生微小变化。
3.强度调制(IM)（Intensity Modulation)
定义：光载波的强度（光强）随调制信号规律而变化的激光振荡。
θ=αl
比例系数α表征了该介质的旋光本领，称为旋光率，它与光波长、介质 的性质及温度有关。
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2.自然旋光现象的理论解释
（7.2.4）
y 0
03
（7.2.5）
沿x方向传播速度加宽，“快”轴 沿y方向传播速度减慢，“慢”轴
当KDP晶体沿z轴加电场时，折射率椭球的主轴绕z轴旋转45°(与外加电
场大小无关）;折射率变化与电场成正比。
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三、电光相位延迟
当一束线偏振光沿z轴方向入射晶体，E矢量沿x方向，进入晶体后即分 解为沿x’和y’方向的两个垂直偏振分量。当经过长度L后两偏振分量 的相位延迟分别为：
0 E hE 2
其中 , h为常数；o为未加电场时的折射率 。
（7.2.1）
由一次项 E 引起的折射率变化称为线性电光效应或泡克耳斯效应; 由二次项 hE 引起的折射率变化称为二次电光效应或克尔（Kerr）效应。
2
二、电致折射率变化
采用折射率椭球体方法，在未加外场时：
Am Am e t Ac cos c t c cos c m t c cosc m t c 2 2
（7.1.4）
图7.1.1
调幅波频谱及调幅信号
AM无线电台和电视信号中的图像部分都是使用调幅来编码信息的。在调 幅中，正弦波的幅度（峰谷到峰顶之间的电压）是变化的。 例如，一个人 的说话声音产生的正弦波叠加到发射器的正弦波上就使其幅度发生了变化。
第七章 激光技术
数学与物理系 王晴晴
1
什么是激光技术
(Laser Technology) 答：根据不同的使用要求，采用一些专门的 技术手段来提高激光输出光束的质量和单项 技术指标。
2
§7.1 §7.2
光波的调制 电光调制
§7.3
§7.4 §7.5 §7.6 §7.7 §7.8
声光调制
磁光效应与磁光隔离器 调Q技术 锁模技术 选模技术 稳频技术
§7.1 光波的调制
(Light Modulation)
一、光调制的基本概念 二、光调制的分类 三、几种调制的简单介绍
4
一、光调制的基本概念
1. 载波(carrier):激光是一种光频电磁波，与无线电波类似可用来作为传递
信息的载体。
2. 调制(Modulation):将信息加载于激光的过程。 3. 解调(Demodulation):把调制信号还原成原来的信息的过程。
（7.1.8）





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