第六章激光器的模式选择和调制技术
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第六章激光调制技术
可做成光调制器件、光偏转器件和电光滤波器件。
6.2.1 电光调制的物理基础 光波在介质中的传播规律受到介质折射率分布的制约，而
折射率的分布又与其介电常量（电容率）密切相关。晶体折射率
可用施加电场E的幂级数表示，即 n n0 E bE 2 K
或写成 n n n0 E bE2 K
激光的调制技术和传输技术等；
调Q技术和锁模技术；
选模技术和稳频技术；
激光的频率变换技术。
第6章 激光调制技术
6.1 调制的基本概念
激光是一种频率更高（1013~1015Hz)的电磁波，它具有很 好相干性，因而象以往电磁波（收音机、电视等）一样可以用 来作为传递信息的载波。
由激光“携带”的信息(包括语言、文字、图像、符号等) 通过一定的传输通道(大气、光纤等)送到接收器，再由光接收 器鉴别并还原成原来的信息。
尽管激光调制有各种形式，但调制的工作机理主要是基于 电光、声光、磁光等物理效应。本章下面将分别讨论电光调制、 声光调制和磁光调制的基本原理和调制方法。
6.2 电光调制 电光调制的物理基础是电光效应，即某些晶体在外加电场
的作用下，其折射率将发生变化，当光波通过此介质时，其传 输特性就受到影响而改变。
利用三角公式： cos cos 1 cos( ) cos( )2得：源自e(t)Ac
c os ( c t
c )
ma 2
Ac
c os( c
m )t
c
ma 2
Ac
c os( c
m
)t
c
式中，ma Am Ac 称为调幅系数。可见调幅波的频谱是由三
ct k f a(t)dt c ct k f (Am cosmt)dt c
6.2.1 电光调制的物理基础 光波在介质中的传播规律受到介质折射率分布的制约，而
折射率的分布又与其介电常量（电容率）密切相关。晶体折射率
可用施加电场E的幂级数表示，即 n n0 E bE 2 K
或写成 n n n0 E bE2 K
激光的调制技术和传输技术等；
调Q技术和锁模技术；
选模技术和稳频技术；
激光的频率变换技术。
第6章 激光调制技术
6.1 调制的基本概念
激光是一种频率更高（1013~1015Hz)的电磁波，它具有很 好相干性，因而象以往电磁波（收音机、电视等）一样可以用 来作为传递信息的载波。
由激光“携带”的信息(包括语言、文字、图像、符号等) 通过一定的传输通道(大气、光纤等)送到接收器，再由光接收 器鉴别并还原成原来的信息。
尽管激光调制有各种形式，但调制的工作机理主要是基于 电光、声光、磁光等物理效应。本章下面将分别讨论电光调制、 声光调制和磁光调制的基本原理和调制方法。
6.2 电光调制 电光调制的物理基础是电光效应，即某些晶体在外加电场
的作用下，其折射率将发生变化，当光波通过此介质时，其传 输特性就受到影响而改变。
利用三角公式： cos cos 1 cos( ) cos( )2得：源自e(t)Ac
c os ( c t
c )
ma 2
Ac
c os( c
m )t
c
ma 2
Ac
c os( c
m
)t
c
式中，ma Am Ac 称为调幅系数。可见调幅波的频谱是由三
ct k f a(t)dt c ct k f (Am cosmt)dt c
激光原理与技术
第二部分 激光技术部分
第五章 激光调制技术 第六章 激光模式选择技术 第七章 激光稳频技术 第八章 调Q技术与锁模技术
第三部分 激光应用部分
第九章 激光在精密测量中的应用 第十章 激光加工技术 第十一章 激光在信息技术中的应用 第十二章 激光在医学中的应用 第十三章 激光在科技前沿中的应用
教材
《激光原理与技术》 高等教育出版社 阎吉祥 2019.7 ￥25.7参考书ຫໍສະໝຸດ 《激光原理》 国防工业出版社
周炳琨等
2019.6
￥28.00
《激光原理及应用》
《激光技术》
电子工业出版社
科学出版社
陈家璧
蓝信钜
2019.8
2019.10
￥22.00
￥29.00
第一部分 激光原理部分
绪论 第一章 激光的基本原理及特性 第二章 光学谐振腔理论 第三章 典型激光器介绍 第四章 半导体激光器
激光原理与技术
答疑
时间：周二10:00~12:00、 1:30~3:30 周四8:30~12:00、3:00~5:00 周五8:30~10:00、3:30~5:00
地点：理学院B323、A108 TEL：83956234
13502172652 QQ：504132791 E-mail: gaoui126
激光技术之模式选择PPT课件
第5页/共49页
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
经过选模之后，输出功率可能有所降低, 但由于发散度的 改善，其亮度可提高几个数量级, 横模选择技术是使激光 发散角小。
所谓纵模, 就是指沿谐振腔轴线方向上的激光光场分布。
对于一般腔长的激光器, 往往同时产生几个甚至几百个纵
模振荡; 纵模个数取决于激光的增益曲线宽度及相邻两个
纵模的频率间隔。
上光束的加强干涉，工作物质的色散、散射效应及腔内
光束的衍射效应等等，都对横模有影响。这里只就第一
种原因作简单分析，认为在腔内光束除与腔轴严格平行
外，有那些稍微偏离走“Z”字形的光束, 虽经多次反射
后, 仍未偏出腔外，能符合 2nLcosθ =kλ条件, 因而
在某一θ方向存在着加强干涉的波长, 设以Z代表腔轴方
从激光原理可知, 所谓横模, 就是指在谐振腔 的横截面内激光光场的分布。如图5.1-1所示的是几 个低级横模的光场强度分布照片。横模阶数越高, 光 强分布就越复杂且分布范围越大, 因而其光束发散角 越大。
第1页/共49页
不同横模第的2页/光共49场页 强度
TETME0M0 00 TTEEMM1010 TTEEMM2200 TTEEMM3300
向，垂直Z的截面为XY平面。这截面所产生的部分横模
如图。
第4页/共49页
标记TEMmn中TEM代表电磁横波，图上的标记符号， 是从微波技术上接过来的， m代表x方向上的波节数, n代表y方向上波节数。以轴为基准, TEM00代表单模 或名基模。TEM10代表m=1， n=0的模，余类推。相 邻横模的波长差，随着具体的腔的结构及反射镜的调 节不同颇不一致。另外，相邻横模的偏振方向虽相同， 但有的有π位相差, 如图中所示的箭头。由应用光学可 知, 其光斑直径 d=fθ ( f为透镜焦距，θ为光束发散角)。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
经过选模之后，输出功率可能有所降低, 但由于发散度的 改善，其亮度可提高几个数量级, 横模选择技术是使激光 发散角小。
所谓纵模, 就是指沿谐振腔轴线方向上的激光光场分布。
对于一般腔长的激光器, 往往同时产生几个甚至几百个纵
模振荡; 纵模个数取决于激光的增益曲线宽度及相邻两个
纵模的频率间隔。
上光束的加强干涉，工作物质的色散、散射效应及腔内
光束的衍射效应等等，都对横模有影响。这里只就第一
种原因作简单分析，认为在腔内光束除与腔轴严格平行
外，有那些稍微偏离走“Z”字形的光束, 虽经多次反射
后, 仍未偏出腔外，能符合 2nLcosθ =kλ条件, 因而
在某一θ方向存在着加强干涉的波长, 设以Z代表腔轴方
从激光原理可知, 所谓横模, 就是指在谐振腔 的横截面内激光光场的分布。如图5.1-1所示的是几 个低级横模的光场强度分布照片。横模阶数越高, 光 强分布就越复杂且分布范围越大, 因而其光束发散角 越大。
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不同横模第的2页/光共49场页 强度
TETME0M0 00 TTEEMM1010 TTEEMM2200 TTEEMM3300
向，垂直Z的截面为XY平面。这截面所产生的部分横模
如图。
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标记TEMmn中TEM代表电磁横波，图上的标记符号， 是从微波技术上接过来的， m代表x方向上的波节数, n代表y方向上波节数。以轴为基准, TEM00代表单模 或名基模。TEM10代表m=1， n=0的模，余类推。相 邻横模的波长差，随着具体的腔的结构及反射镜的调 节不同颇不一致。另外，相邻横模的偏振方向虽相同， 但有的有π位相差, 如图中所示的箭头。由应用光学可 知, 其光斑直径 d=fθ ( f为透镜焦距，θ为光束发散角)。
激光技术及控制基础(精)
3.工作过程：
dI是极重要的参量，叫误差信号。它是由激光器输出的 光强和标准频率 输出的光强比较得到的信号。 不同I不 同，可用曲线的斜率 dI / d 表示。 dI的大小表明 d 的大小，相位表明 偏离 0的方向。
dI由在压电陶瓷上加一调制电压得到，加一直流偏压和 频率为f的调制电压。 加偏压的目的是在工作前调整激光器的振荡频率为凹 陷的中心频率 ，因为标准频率并不是固定不变的。 加调制电压的目的是给出dI的大小和方向，对光强进 行低频调制。
塞曼效应吸收稳频： 利用吸收介质的吸收中心 0 作标准频率，在吸收管上加 一磁场，产生塞曼效应，结果对不同旋光的光吸收差别 来稳定频率。 结构原理：吸收管中充有低压的Ne气，加磁场以后，由 于塞曼效应，吸收曲线分离成左右旋光的两条吸收线， 它对频率相同、旋光方向不同的圆偏光吸收不同。 稳频过程：利用吸收曲线的中心频率作标准频率，利用 左右旋光的光强差作误差信号dI，采用一套负反馈电路 控制系统。从激光器输出的线偏光通过加有交变的矩形 电压Vλ /4晶体，变成左右旋光。又因右旋光和调制讯号 同相位，dI大小和相位即可判别。
第六章 稳频技术
激光技术及控制基础
第六章
稳频技术
基本概念 稳频方法
概
述
稳频目的：使频率本身稳定，即不随时间、地点变化， 稳频是实际的要求。 频率的稳定性和复现性 1.频率的稳定性 激光器连续运转时，在一定的时间间隔内平均频率 v 与该时间内频率的变化量 v之比，用s表示。 2.频率的复现性 激光器在不同的时间、地点等条件下频率重复或再 现的精度，用R表示。 结论：频率稳定性表示激光频率在平均频率附近的漂 移，频率的再现性表示平均频率本身的变化。
激光强度的稳定
稳频实质是稳定腔长，而在稳频中通过激光输出光 强的变化作误差信号－通过电路的处理控制腔长从 而达到稳频的目的。 为了达到稳频的目的，要求激光输出的强度除了频 率的漂移造成的光强度变化之外，其他因素造成的 光强变化应该尽力避免。如放电电流、电压变化造 成的光强变化，否则干扰频率的稳定－甚至无法稳 频。 为了排除其他因素造成的激光强度变化采取的措施： 1.激光器的电源加稳压稳流装置。激光强度稳定到n％ 2.采用稳定激光强度控制装置。
第六章激光调制技术
1.5 1.0 0.5
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
0.5
1.0
1.5
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1.2
为什么要用光波作为信息载体？
信息
调制信号
信息
转播速度快
调制
信息容量大
激光
传输
接受
可以用光学系统进行变换,光盘存储
可以在透明介质中传输（光纤、水……）载波
大气、光纤
可以不用介质传输（真空、太空……）
可独立传播，互不干扰。
加载了信号的光波以群速度传播。
§6.1调制的基本概念
m a 为调制深度，即调幅系 数。 m a 1
调制波形为以信号波为上下 对称包络的波形。
1.5 1.5
1.0
0.5
0.2 0.5
1.0
1.5 1.5
1.0
频域分布
e(t) Ac cos(ct c )
ma 2
Ac cos((c
m )t c )
0.5
0.2 0.5 1.0 1.5
§6.2电光调制
(1)折射率椭球(D,n)
对于任意方向入射的光波波矢K，通 过坐标原点O做以K为法线的平面Σ ， Σ 与椭球面相交，交线为一椭圆 ，该椭圆的两个主轴的方向就是两 个相互正交的D1和D2，两个主半轴的 长度对应的折射率是n1和n2。
半导体激光器件中的调制与调谐技术研究
半导体激光器件中的调制与调谐技术研究激光器是一种产生高强度、高单色性、高相干性光束的装置。
它在许多领域中都有广泛的应用，包括通信、医疗、材料加工等。
在半导体激光器件中，调制与调谐技术是提高激光器性能和应用的关键。
半导体激光器件的调制技术主要是指通过改变激光器的输出光强或相位来传输信息。
光强调制是最常见和广泛应用的技术之一。
它使用电信号来调制激光器的输出光强，从而实现数字信号的传输。
常见的光强调制技术包括直接调制、外差调制和间歇调制。
直接调制是一种简单且经济的调制技术，它直接在激光器的注入电流中传输数字信号。
通过改变注入电流的大小和时间来调制激光器的输出光强。
直接调制的优点是简单、快速，并且能够支持高速传输。
然而，它也存在一些缺点，如带宽限制、调制深度受限等。
外差调制是一种常见的调制技术，它通过将激光器的输出光强与一个调制信号混合来实现调制。
外差调制可以提供较高的调制深度和较宽的调制带宽，因此在高速通信和光纤通信中得到广泛应用。
然而，外差调制也存在一些问题，如非线性失真、功耗较高等。
间歇调制是一种将激光器的输出光强在时间上进行调节的技术。
它通过在激光器中引入一个电开关来控制激光器的开关状态，从而实现调制。
间歇调制的优点是具有高调制深度和较宽的调制带宽，同时也能够实现低功耗和快速响应时间。
然而，间歇调制也存在一些问题，如调制速率受限、非线性失真等。
除了调制技术，调谐技术是半导体激光器件中另一个重要的研究方向。
调谐技术主要是指通过改变激光器的工作参数来实现光频的调谐。
在通信系统中，光频调谐技术能够实现波长选择和多路复用。
常见的调谐技术包括温度调谐、注入电流调谐和光注入调谐。
温度调谐是一种常见且简单的调谐技术，它通过改变激光器的工作温度来实现光频的调谐。
通过控制温度变化来改变激光器的光频输出。
温度调谐可以实现较大范围的频率调谐，但调谐速度较慢，调谐精度受限。
注入电流调谐是一种通过改变激光器的注入电流来调谐光频的技术。
《激光调制修改》PPT课件
制作声光调制器； ➢ 利用法拉第效应可以制作磁光调制器与光隔离器.
1. 振幅调制 使载波的振幅随着信号的变化规律而变化.
E (t)A ccos(ctc) E(t) Ac(1ma cosmt)cos(ct c)
激光的电场
=
Ac
cos(ct
c
)
ma 2
Ac
cos[(c
m)t
c]
a(t)Amcosmt
〔2〕设某时刻加在电光晶体上的电压为V,入射到晶体的在x方 向上的线偏振光电矢量振幅为E0
➢进入晶体时沿快轴 x和' 慢轴 的y' 电矢量振幅都变为 E0 2
➢通过晶体后沿 x和' 方y ' 向的二线偏振光之间的位相差
2
n0263V
通过振动方向与 y 轴平行的偏振片检偏后产生的光振幅分别
为 E x ' ，y E，y '则y 有：
E x'yE 20eit， Ey'yE 20ei(t)
投影之和为： EEyE 20eit(ei1)
输 出 I E 光 2 E 0 2 s强 2 i 2 n I 0 s ： 2 in n 0 36V 3
图(4-22) I/I0-V曲线
（3）画出 I I0 曲V线的一部分以及光强调制的情形。为使工
E ( t) A c co c t s m f( sim tn c )
调频系数：m f /mkfA m /m
相位调制： E ( t) A cc o s (c t m c o sm tc )
频率调制和相位调制都是调总相角,写成统一形式：
E ( t) A c co c t m ss(im tn c )
x2 y2 z2 1 n12 n22 n32
1. 振幅调制 使载波的振幅随着信号的变化规律而变化.
E (t)A ccos(ctc) E(t) Ac(1ma cosmt)cos(ct c)
激光的电场
=
Ac
cos(ct
c
)
ma 2
Ac
cos[(c
m)t
c]
a(t)Amcosmt
〔2〕设某时刻加在电光晶体上的电压为V,入射到晶体的在x方 向上的线偏振光电矢量振幅为E0
➢进入晶体时沿快轴 x和' 慢轴 的y' 电矢量振幅都变为 E0 2
➢通过晶体后沿 x和' 方y ' 向的二线偏振光之间的位相差
2
n0263V
通过振动方向与 y 轴平行的偏振片检偏后产生的光振幅分别
为 E x ' ，y E，y '则y 有：
E x'yE 20eit， Ey'yE 20ei(t)
投影之和为： EEyE 20eit(ei1)
输 出 I E 光 2 E 0 2 s强 2 i 2 n I 0 s ： 2 in n 0 36V 3
图(4-22) I/I0-V曲线
（3）画出 I I0 曲V线的一部分以及光强调制的情形。为使工
E ( t) A c co c t s m f( sim tn c )
调频系数：m f /mkfA m /m
相位调制： E ( t) A cc o s (c t m c o sm tc )
频率调制和相位调制都是调总相角,写成统一形式：
E ( t) A c co c t m ss(im tn c )
x2 y2 z2 1 n12 n22 n32
第六讲激光的调Q与锁模
27
1968年开始横模锁定的研究，稍后又开 始了纵横模同时锁定的研究，70年代后又发 展了主动加被动双锁模（损耗调制加相位调 制）、主动加调Q及同步锁模等方法 。 纵模锁定的方法主要有，自锁、主动锁 模（内调制包括损耗调制和相位调制）及被 动锁模（可饱和吸收染料锁模），下面分别 加以讨论。
28
1、纵模锁定
1 t1 2 2 I ( t ) E ( t ) 0 E ( t ) dt t1 q 因为 1 t1 2 1 2 2 0 Eq cos (qt q ) dt Eq t1 q q2 1 t1 0 Eq E cos( t ) cos( t ) dt 0 q q q q q t1 q q 所以 N 1 2 I ( t )＝ Eq q 0 2
15
下面用数学形式来定量地分析激光输出与 相位锁定的关系。若多模激光器的所有振荡 模均有相等的振幅E0。超过阈值的纵模共有 2N+1个，各相邻模的相位差都是n ，并设处 在介质增益曲线中心的模(q=0)，其角频率为 0，其相位为0，即以中心模的相位为参考相 位。
16
振幅特性
对于一个腔长为L的平行平面腔，如果忽 略了腔的非线性色散效应，则两相邻纵模的 频率间隔相等，由（1）式
5
在多模振荡时，如果使振荡模的频率间隔 保持一定，并且使各模之间只有确定的相位 关系，这时激光输出是一系列周期脉冲，这 种激光器叫做“锁模”激光器，相应的技术 叫做“锁模技术”。
6
假设在激光工作物质的净增益线宽内包 含有N个纵模，那么，这时激光器输出的光波 电场是N个纵模电场的和： N （2） E ( t ) E cos( t )
第六讲 激光的锁模 技术
1
6．1 锁模技术
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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
TEM11模
TEM01模
TEM02模
TEM12模
TEM00模 TEM10模
TEM01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
g1
非稳区
损当 耗谐 差振 迅腔 速参 增数 加趋
近 介 稳 腔 时
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
Δψ=2π/λ(nx＇ny＇)L=2π/λn03γ63Ez＇L =2π/λn03γ63V
，当晶体上所加电压在0-Vλ／2之间连 续变化时，其Δψ也就随着从0-π，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。
常用电光调制技术
1. 电光调制原理 • 纵向电光调制 nx’=no–1/2no363Ez ny’=no+1/2no363Ez nz’=ne
• 横向电光调制
y’
x’ y
x
z
起偏器
V
/4 检偏器
z
x’
y’
V 检偏器
纵向电光调制原理
在x＇方向折射率比原来减小了1/2n03γ63Ez，而y＇方向的折 射率则增加了1/2n03γ63Ez，如图20－18（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Δψ，则有：
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
光栏
探测器
隔离器
压电陶瓷
• 光谱分析仪
5、激光调制的基本概念
• 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
1. 调制的基本概念 2. 内调制 3. 外调制 4. 电光调制 5. 声光调制 6. 磁光调制 7. 干涉调制 8. 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
腔镜1
激光介质
标准具
腔镜2
腔镜1
激光介质
双标准具组
腔镜2
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
1. 迈克尔逊式 复合腔
=C/2n(l1-l2)
l2 l1
2、Fox-Smith式 复合腔
=C/2n(l1+l2)
l2 l1
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 and the Laguerre Gaussian
由此得出： r1r2 1 2 exp2GL 1
若实现单横模运转，应使以下2式同时成立。
r1r2 1 00 expGL 1
r1r2 1 01 expGL 1
球面镜谐振腔的两个重要参数
g参数
g 1 L R
其中L为腔长，R为球面镜曲率半径。
菲涅尔数
nx＇-nz=n0-1/2n03γ63Ez-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
Δψ=2π/λ[(nx＇-nz)·L]=2π/λ[(n0-ne)·L-1/2n03γ63(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。
I/Ii=sin2(1/2·2π/λ·n03γ63V)=sin2 (π/2·V/Vπ)
透射率（I/Ii）随外加 电压变化的光强调制 特性曲线
加λ/4波片的泡克耳斯盒示意图
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φ与U成线性关系，所 以多用泡克耳斯盒来作 电光调制器。
第六章、激光器的模式选择和调制技术
1. 激光模式选择极其意义 2. 横模选择技术 3. 纵模选择技术 4. 激光模式测量技术 5. 激光调制的基本概念 6. 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。
ax, y
将输出镜系数选择为
这样经过一次往返 实现了自在现。
R1x,
y
ax, y ax, y
ax, y R1x, yax, y
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
泡克耳斯盒加λ/4波片与不加 λ/4波片的区别示意图
a) 不加λ/4波片 b) 加λ/4波片
横向电光调制原理
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：
其中*代表共轭
反射波则由下式表示
bx', y'R2 x', y' bx', y'
A (u,
) exp
j2
xu
y
exp
j
2
l
1 2 2 dud
当其通过距离l的自由空间传播回输出镜时有
a'x, y Au, exp j2 xu y dud
a2 N
L
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，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
腔镜1
小孔光栏
腔镜2
• 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。
增益
实际振荡 的纵模
损耗
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 1. 必须尽量增大高阶模与基模的衍射损耗比 2. 必须尽量减少腔内其他损耗i和镜面损耗m ，从而
et A1 m cosmtcost et Acost msin mt
I t
A2 2
1
m cosmtcos2 t
模拟调制
数字调制