激光测量第一章1.6

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1、1.6 激光调制技术,1.光调制的意义 所谓“调制”，是按照人类应用的需求（以信息的形式出现）对光波进行“调节”与“控制”，从而将信息加载到光波上去。 为什么要用光波作为信息载体？ 转播速度快,信息容量大 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） 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。,1.6 激光调制技术,激光作为信息载体的优点：易于调制、可利用的频带宽 、传输信息的容量大；,调制及其分类,激光调制将信息加载于激光的过程 ；,激光调制器完成将信息加载于激光过程的装置；,激光载波（Carrier），携带信息的载体；,起控

2、制作用的信号（低频信号）调制信号；,被调制的载波已调波或调制光Modulated wave；,1.6.1调制的基本概念,2.调制的基本形式 按着调制器件和激光器的关系，调制可以分为内调制和外调制。,内调制：,加载调制信号是在激光振荡过程中进行的，即以调制信号来改变激光器的某一参数，从而改变激光的输出特性,改变激光器的泵浦强度 改变激光器的腔内损耗,外调制：激光形成之后进行调制在激光器外的光路上放置调制器，用调制信号改变调制器的物理特性，当激光通过调制器时，会使光波的某个参量发生变化就会使光波的某参量随着调制信号而变化,典型的模拟式调制,单色平面波的表达式为 通过改变激光载波的特征参量，可以对激

3、光载波进行调制。 1.调幅振幅调制：使载波的振幅随调制信号的变化而变化。 2.调频频率调制：使载波的频率随调制信号的变化而变化。 3.调相相位调制：使载波的相位随调制信号的变化而变化。 4.强度调制：使载波的光强随调制信号的变化而变化。,设激光的瞬时电场强度为 则光强度为 设调制信号为 幅值调制为: 强度调制为: 频率调制为: 相位调制为:,M,调幅系数 ，Mi强度调制系数, Mf调频系数, Mp调相系数 其中M, Mi远小于1,典型的模拟式调制,一、振幅调制,激光光波的振幅随着调制信号的变化规律而变化。,激光光波的瞬时电场强度：,振幅调制时， 不再是常数，而是与调制信号成比例的函数 。,k为

4、比例系数， 为调制信号；,为调制信号的振幅， 为角频率；,调幅波的包络线的形状和调制信号一致； 载波频率维持不变； 振幅较之未调制波多了一个与调制信号成比例的增量。,由图可知：,“调幅系数”,调幅振荡中振幅最大增量与振幅平均值之间的比值 。,当调制系数1时，调制波就要发生畸变；当调制系数1时，称为100的调制。,调幅的结果使调幅波不再是一个简单的正弦波，根据傅立叶频谱分析，它可分解为不同频率的正弦波之和。,由上述讨论可知：,将 记为 ，由于 ， 则调幅波表达式可写为：,二、频率调制和相位调制,激光载波的频率或相位受调制信号的控制而按其规律变化。,这两种调制波都表现为总相角的变化，因此统称为角度

5、调制。,频率调制,角频率 不再是常数，而是一个与调制信号成比例的时间函数,是由调制信号决定的频率偏移。,调制波的总相角：,若调制信号为正弦变化，,并令,则,调频波的表达式：,调频系数，可取任意值；,相位调制,调制波的相位多了一个与调制信号成比例的增量；,总相角：,若调制信号为正弦变化，,并令,调相系数；,则有调相波的表达式：,调频或调相波的频谱,可以分解成若干不同频率的正弦波之和。,调频和调相波的统一形式：,由以上讨论，可得出下述结论 ：,在正弦调制下，调频和调相皆为等幅的变周期振荡，且表达式在形式上相同；,两者的区别：a.两者的调制方法不同；b.调频系数和调相系数的性质不同；,调频：单模激光

6、器调腔长； 调相：电光晶体调Q 。,（在非正弦调制下，两者不同，此时可以看出调频与调相的差别）,角度调制,三、强度调制,光载波电场振幅的平方与调制信号成比例， 。,输出的激光辐射强度按照调制信号的规律变化。,激光调制通常多采用强度调制形式。,原因在于：光接收器（探测器）一般直接响应其所接收的光强度变化。,光载波的强度定义为电场的平方，,因此，有调制光强：,为比例系数；,若调制信号为正弦变化，,强度调制系数,此时有，,这是当调制系数 时，比较理想的光强调制公式 。,1.6.2调制方法,（一）电光调制 KDP晶体的Pockel效应（四） 感应主轴的方向 相对于原主轴旋转45o。 KDP晶体变为双轴

7、晶体。,调制方法,电光调制 （一） 原理 电光效应：某些材料在外加电场的作用下，其折射率发生变化 Xyz光轴偏转45度， 主折射率分裂为： 线偏振光分裂为两束线振光， X，y方向 相位差为,当一束线偏振光沿着Z轴方向射入晶体，且E矢量沿X方向进入晶体（Z0）即分解为沿 和 方向的两个垂直偏振分量。,当它们经过长度L之后，所走的光程分别为 和 。,快光,慢光,电光相位延迟,电光调制,相位差与所加电压v成正比，通常称为线性电光效应或Pockels效应 一般把引起相位差的电压作为电光材料的性能： 称为半波电压， V或者V/2表示,（二）电光强度调制,1. 纵向电光调制器,纵向电光效应：电场方向与通光

8、方向一致；,核心部件,光强调制,Kdp 引起相位 波片： /2,2.电光相位延迟,以KDP类晶体Z向加压，光波沿Z方向传播为例：,电光相位调制 Ein感应主轴 无检偏装置 偏振状态不发生改变 边频振荡间隔等于外加电压的频率,三、 声光调制,Raman-Nath声光衍射,Bragg衍射,四、 磁光调制 原理: 法拉第旋光效应:线性偏振光经过磁性介质后,投射光偏振方向 会发生偏转,(t)=s,LH rf H DC,sin t,五、电源调制/直接调制,定义:,直接将调制信号加载于激光电源，从而使激光器发射的激 光强度或激光脉冲参数随调制信号而变化的调制，称为电 源调制成直接调制,六、干涉调制,迈克耳

9、逊干涉仪调制光强,半导体激光器,半导体激光器的基本结构,半导体激光器的基本特性,半导体激光器,半导体激光器的基本特性,半导体激光器,半导体激光器的基本特性,半导体激光器,激光技术发展简史之一,美国休斯公司实验室一位从事红宝石荧光研究的年轻人梅曼在1960.5.16利用红宝石棒首次观察到激光； 梅曼在7月7日正式演示了世界第一台红宝石固态激光器； 他在Nature(8月16日)发表了一个简短的通知。,Maiman,激光技术发展简史之一,Maiman的第一台激光器,中国第一台激光器（1961）,我国激光器研究情况,激光技术发展简史之三,激光应用技术 信息技术方面的应用：光通讯，光存储，光放大，光计

10、算，光隔离器 检测技术方面的应用：测长，测距，测速，测角，测三维形状 激光加工：焊接，打孔，切割，热处理，快速成型 医学应用：外科手术，激光幅照（皮肤科、妇产科），眼科手术，激光血照仪，视光学测量 科学研究方面的应用：激光核聚变，重力场测量，激光光谱，激光对生物组织的作用，激光制冷，激光诱导化学过程等等,光盘存储器原理激光刻蚀与读出,激光全息防伪人民币（建国50周年纪念币）,激光显示,重庆三峡广场-水幕激光,Video,激光陀螺仪,激光加工与热处理 激光焊接、切割、打标、表面处理 和工业机器人结合，为未来的制造业提 供先进的、精密的、灵巧的特殊加工工 具,Video1,Video2,激光眼科治

11、疗,激光嫩肤,激光脱毛,激光去斑,激光点痣,激光美容,激光嫩肤 激光去斑,激光脱毛 激光点痣,黄钟律管,累黍造尺,激光精密测量 从开始有测量的时间起，才开始有科学。没有量度，精密科学就没有意义。 门捷列夫,黄钟律管,累黍造尺,米定义的三次变更,一、飞行时间法,二、真空波长法,三、稳频激光器,米定义的复现,一、飞行时间法,二、真空波长法,三、稳频激光器,飞秒激光的典型应用微纳米加工,纳米牛,Ti:S 780nm, 150fs, 76MHz,1.4NA 高倍显微物镜聚焦,SCR500 resin ( JSR, Japan ) + urethane acrylate (尿脘丙 烯酸脂）,光聚合分辨率

12、 120nm 牛尺寸 10m 7m,Nature, Vol. 412, 697.2001 （ H.B. Sun et al ) ),纳米弹簧,a. 原始状态b. 伸展状态c. 阻尼振荡恢复曲线,功能器件,匈牙利科学院Peter Galajda ，A.P.L, vol.78, 2001,飞秒高速摄影,光源：飞秒激光 时间分辨率：163ns,重复频率：6.1MHz 快门速度：440ps,激光核聚变,可控核聚变,磁约束核聚变 惯性约束核聚变,托卡马克 激光核聚变 粒子束核聚变 电流脉冲核聚变,激光核聚变的四个阶段,激光武器 直接利用高度集中的激光能量对敌人和敌人的 武器进行杀伤、破坏的武器。 特点：

13、 1）不需计算弹导，“指哪打哪”。 2）不需计算提前量，“说时迟，那时快”。特 别适合攻击高速运动的目标。 3）无后座之扰； 4）不受电子干扰。,L,a,s,er,局限： 受天气影响，云雾、雨雪都有是,激光难以逾越的障碍。,聚焦、光学,激光束,跟踪系统,高 能 激 光 束,目标探测器 升降机,发散角0.01毫弧 度，跟踪精度1 发射望远镜直径 1m。安装在15米 高的望远镜上。,激光排,气 / 热 激光器,激光燃料箱,据称可破坏 10 公 里外的低空直升,飞机的蒙皮和 20 公里远的红外制 导导弹和光学传 感器 前西德 高能激光防空坦克,激光控制核聚变,天文台（激光导航星）,来自纳层的反射光（

14、高度约100km),最大高度约35km,来自空气分子的Rayleigh光,激光测距与激光雷达,激光切割,长度测量,生物和医学应用,飞秒激光的典型应用微纳米加工,纳米牛,Ti:S 780nm, 150fs, 76MHz,1.4NA 高倍显微物镜聚焦,SCR500 resin ( JSR, Japan ) + urethane acrylate (尿脘丙 烯酸脂）,光聚合分辨率 120nm 牛尺寸 10m 7m,Nature, Vol. 412, 697.2001 （ H.B. Sun et al ) ),纳米弹簧,a. 原始状态b. 伸展状态c. 阻尼振荡恢复曲线,功能器件,匈牙利科学院Pete

15、r Galajda ，A.P.L, vol.78, 2001,飞秒高速摄影,光源：飞秒激光 时间分辨率：163ns,重复频率：6.1MHz 快门速度：440ps,激光核聚变,可控核聚变,磁约束核聚变 惯性约束核聚变,托卡马克 激光核聚变 粒子束核聚变 电流脉冲核聚变,激光核聚变的四个阶段,激光武器 直接利用高度集中的激光能量对敌人和敌人的 武器进行杀伤、破坏的武器。 特点： 1）不需计算弹导，“指哪打哪”。 2）不需计算提前量，“说时迟，那时快”。特 别适合攻击高速运动的目标。 3）无后座之扰； 4）不受电子干扰。,L,a,s,er,局限： 受天气影响，云雾、雨雪都有是,激光难以逾越的障碍。,聚焦、光学,激光束,跟踪系统,高 能 激 光 束,目标探测器 升降机,发散角0.01毫弧 度，跟踪精度1 发射望远镜直径 1m。安装在15米 高的望远镜上。,激光排,气 / 热 激光器,激光燃料箱,据称可破坏 10 公 里外的低空直升,飞机的蒙皮和 20 公里远的红外制 导导弹和光学传 感器 前西德 高能激光防空坦克,