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1、光辐射的控制，就是用信息信号对激光辐射进行作用。,第三章 光辐射的控制,与电子学中电子、电子束和空穴之类的带电粒子不同，在电性能方面呈中性的光子不能用电场或磁场来直接控制。,要想控制光子，就必须摒弃对带电粒子进行控制的概念，采用新的控制原理与方法。,对于光电子系统，不论其具体结构如何，都有一个共同的特点利用光波来传递信息。与无线电通信技术中利用无线电波作为传递语言、图象信息的载波相似，激光也可以用来作为传递信息的载波。,激光频率高，用激光传递信息的容量大。,由于激光光束的发散角小，方向性好，所以用激光传递信息具有保密性好，抗干优性能强等优点。,因此，激光可以用来作为传递信息的载体，是传递信息的
2、理想光源。,功率能量脉宽模式线宽等,人们可以从不同的方面,改善与提高激光器的输出特性，扩大激光器的应用范围，,它们在激光应用及推动光电子技术的发展中，起着非常重要的作用。,例如：调Q和锁模可以将激光脉宽压缩到毫微秒、微微秒、甚至亚微微秒量级；应用于激光测距，采用锁模技术可使激光器的输出进行高时间分辨率的光谱研究；,稳频和锁模技术可以使激光得以作为时间、长度基准、以及实现全息照相、精密计量检测的关键； 光调制技术则是激光用于信息传递的基础。,本章介绍光调制、光偏转、调Q、锁模、倍频等原理。为了便于理解，我们先介绍 几个基本效应和基本原理,晶体的结构具有各向异性，其光学特性也具有各向异性。一束光入
3、射到方解石晶体上，其出射光通常分成两束，两束光在晶体中的传播方向不同，称晶体的双折射现象。,一、光在晶体中的传播规律自然双折射,实验证明： 一束光遵从折射定律，叫寻常光（O光），另一束光不遵从折射定律，叫非常光（e光）。,寻常光和非常光都是线偏振光，二光的偏振方向相互垂直。,由光的电磁理论，任一平面波的能流方向s与其电场E的振动方向垂直波矢方向k与其电位移D振动方向垂直。当光在晶体中传播时，对应一个波矢方向k，可以独立地存在两个本征传播模式，它们的振动方向（D）相互垂直，传播速度（因而折射率）不同，相应的能流方向s也不相同 .,光在晶体中传播时,产生双折射的原因可以用电磁理论说明,当光沿某一特
4、定方向传播时，这两个本征模的速度相同，不产生双折射现象，这个方向叫晶体的光轴。,方解石、石英、LiNdO3等有一个光轴，叫单轴晶体，,TGS、酒石酸钾钠等有两个光轴，叫双轴晶体,对于单轴晶体，相应的两个本征模分别叫o光和e光。O光的折射率为no，它与光的传播方向无关。e光的折射率为ne（），与光的传播方向有关。若设是光的波矢方向与光轴的夹角，则e光折射率满足,式中，ne是e光的电位移矢量沿光轴方向时的折射率，即ne（=90）。,在一般情况下，相应于同一波矢方向的o光和e光的能流方向（光线方向）不相同： 相应o光的光线方向与波矢方向相同， 而e光的光线方向与波矢方向不同， 该二方向的分离角满足,
5、当 =0（光沿光轴的方向传播）时，=0 即o光和e光不分离，不产生双折射现象。当=90度 （光沿垂直光轴的方向传播）时，=0 ，o光和e光也不分离，但二光的折射率（因而传播速度）不同，一个为no，一个为ne。所以，当二光传过l 距离后，其间将产生相位差,（沿某一方向（k）射入晶体的光，在晶体内将产生能流方向分离的两束光线（o光和e光），实验中所观察到的双折射现象。,式中， o 、e、 分别是O光波长、e光波长，光在真空中传播的波长。,在某些晶体上外加电场后，将改变光在该晶体中传播时所表现的各向异性特性。图中的KDP晶体，未加电场时的光轴方向为z轴方向。,二、电光效应,1893年普克尔（Pock
6、els）发现,沿x方向振动的线偏振光垂直入射，沿着光轴方向通过晶体时，不产生双折射，通过晶体后，光仍为x方向振动的线偏振光。,如果其它条件不变，在晶体上沿纵向加几千伏高电压，当光仍沿z向传播时，将出现双折射现象。这种由外加电场引起晶体光学性质发生变化的效应，叫电光效应。,沿x方向振动的线偏振光，在晶体中将分解为沿感应主轴x和y方向振动的两个本征模分量，它们的传播速度不同，分别为vx和vy。,由晶体外加电场引起的感应双折射，使沿x和y方向振动光的折射率nx和ny分别由no变为,因此，该二光通过长为l 的晶体后，将产生相位差,no为沿晶体光轴方向传播的自然折射率，63为KDP晶体的电光系数，Ez为
7、沿z方向所加的电场强度。可以求得沿Z向传播、在x和y方向振动二光的感应折射率差为,可见，由感应双折射引起的该二偏振光的相位差与外加电压V成正比。进一步，考察沿x方向振动的入射线偏振光，它在晶体内分解的沿x和y方向振动的二光的频率相同，振幅也相同，所以在它们通过晶体后，其合偏振光将视偏振的不同，可能是线偏振光、椭圆偏振光或圆偏振光。,晶体中的电场强度Ez与两端电压V的关系为V= Ez l，上述相位差可表示为,绘出了在、 /2、等七种情况下，输出光为沿x方向振动的线偏振光、椭圆偏振光、圆偏振光、沿y方向振动的线偏振光的情形。,在电光效应中，还使用半波电压的参量表征材料的电光性能优劣。半波电压是使二
8、正交本征模通过晶体后产生相位差所需要的外加电压值，用V/2或V表示。 一般晶体V/2的均较高，高达76kV。,在外电场作用下的感应折射率差与电场强度的平方成正比，这种电光效应称为二次电光效应或克尔 (Kerr)效应：,电光效应中,因其相位差与外加电压V成正比，通常称为线性电光效应或普克尔效应：,n=KE2,式中。是光在真空中的波长，K 是介质的克尔系数(表征电光效应特性)。,三 声光效应,超声波在声光介质中传播时，介质密度变化，引起介质折射率发生相应的变化，密的部分折射率大，疏的部分折射率小。,把超声波作用下的介质视为等效的相位光栅，光栅的条纹间隔等于超声波长，当光通过该介质时，就被衍射。衍射
9、光的强度、频率、方向等特性都随着超声场变化。,因超声场作用，引起介质光学性质发生变化的效应，叫声光效应。,为超声波角频率， 为超声波波数，n取决于声光介质特性及超声波场的强弱。,假设超声波在介质中以行波的形式传播，则在介质中形成的超声光栅也将以声波的波速5前进，某瞬时与超声行波相应的介质密度和介质折射率分布如图所示。其折射率分布,1喇曼-乃斯衍射当超声频率较低，声光作用区的长度较短，光线平行于声波波面入射(即垂直于图中超声行波波传播方向入射)时，产生喇曼-乃斯衍射，在宽度为L的声光介质中，产生喇曼乃斯衍射的条件为,喇曼一乃斯和布喇格衍射,按照超声波频率的高低和声光相互作用长度的不同，声光作用产
10、生的衍射分为两类：,L,各级衍射光的衍射角m满足,相应第m级衍射的极值光强为,式中，Ii为入射光强， 表示光通过声光介质时，由于折射率变化引起的附加相移，Jm(V)为第m阶贝塞尔(Bessel)函数。 相应各级衍射光的频率为+ms。,频率为的平行光通过超声光栅时，将产生多级衍射，而且各级衍射光极值对称地分布在零级极值的两侧，其强度递减。,并且光线与超声波波面有一定角度斜入射时，会产生布喇格衍射，这时的衍射光是不对称分布的，只有零级和+1极(或-l级)衍射光(视入射光的方向而定)。,2布喇格衍射,当超声波频率较高，声光作用区的长度较长，满足，,选择参数，并且超声波足够强，可使入射光的能量几乎全部
11、转移到零级或l级的衍射极值方向上。,L,根据理论分析，产生布喇格衍射的条件是入射光必须满足布喇格条件：2 ssin B = ,布喇格衍射的零级和1级衍射光间的夹角为2 B ，其衍射光强分别为,相应的1级衍射光的频率为s。,式中的 B是布喇格入射角。,改变超声波频率，不管对喇曼-乃斯衍射还是对布喇格衍射，均可改变衍射光的极值方向和衍射光频率； 改变超声波的强度，可以改变折射率光栅的幅度n，可以改变衍射光的极值光强。通过改变超声波场，控制衍射光强、频率、方向、从而达到光调制的目的。,由此可见：,磁光效应指磁场作用于某些介质后，使其光学性质发生变化的效应。由物理学我们知道，一束波长为的线偏振光，若其
12、振动平面为AA，,四、磁光效应,则可视为对称于AA平面的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光的合成。,假若该光射入某旋光物质时，会因旋光物质对左、右旋圆偏振光的折射率不同（分别是n左与n右），而使该左、右旋圆偏振光通过长度d后，产生了相位差，且,由图可以看出，通过旋光物质的出射光，是偏振面相对AA面有一转角的线偏振光，其转角为,这就是旋光效应,利用磁光效应，也会产生这种偏振面的旋转。由原子物理学中的反常塞曼（Zeeman）效应，在磁场的作用下，物质的吸收谱线将发生分裂，分裂出来的两条谱线，以原谱线位置对称分布，并且这两条谱线是旋向相反的圆偏振光，其谱线位置移动量正比于磁场强度H。,与此相应，物质在磁场作
13、用下的色散曲线也如图所示产生了移动，曲线I是左旋圆偏振光的色散曲线，曲线是右旋圆偏振光的色散曲线，图中的实线为封锁磁场作用时的色散曲线，频率为 的左、右旋圆偏振光的折射率分别为n左、n左。,将产生相位差 并引起输出光的偏振面相对原偏振面方向产生一个偏转 ，由于（n左n右）近似与谱线分裂的位置量 成正比，又由于 与外加磁场H成正比，故有（n左n右）=H，式中为比例系数。因而，相应的偏转角 为式中的 它对于一定的波长是一个比例常数，称为维尔德（Verdet）常数。,于是，一束线偏振光所分解的两束左、右旋圆偏振光，在磁光介质中传过距离d后，,是压缩脉冲激光器输出脉冲宽度，提高其峰值功率的激光单元技术
14、,4.2几个基本原理,几微秒到几十微秒、强度随机不等的小尖峰脉冲序列,增强激励，将减小短脉冲间隔，增多尖峰数量，但包络峰值增加不多。峰值功率低（几十kW量级）,实际应用要求的推动下，发展起来了调Q、超短脉冲原理。,一、调Q原理,1961年提出来的，调Q激光器的出现，在物理学中开辟了非线性光学新学科，使古老的光学焕发了青春。,在脉冲泵浦光激励下，介质的激光上、下能级之间产生了粒子数反转，如果反转粒子数超过了激光器的阈值反转粒子数，就将产生激光输出。,(一)调Q的概念,而调 Q技术是：当激光上能级积累的反转粒子数不多时，人为地控制激光器阈值，使其很高，抑制激光振荡的产生。由于光泵的激励，激光上能级
15、将不断地积累粒子数。,1调Q的基本思想,当反转粒子数达到最大数量时，突然降低激光器的阈值，由于此时的反转粒子数大大超过激光器的阈值反转粒子数,在腔内将雪崩一样地、以极快的速度建立起极强的激光振荡，在极短的时间内大量抽空激光上能级的粒子，同时输出一个极强的尖锐脉冲，这种脉冲通常叫激光巨脉冲，或调Q脉冲。,调Q技术的实质是人为地控制激光器的阈值。由激光原理知道，激光器的阈值反转粒子数Nth满足下面的关系：,对一定的激光器，控制阈值反转粒子数，就控制了激光器的Q值，故称为调Q，或形象地称为Q开关、Q突变。,式中， 是激光圆频率，p是模式密度，21 是激光上下能级间的自发辐射寿命，Q是激光器的品质因素
16、。,（2）与受激发射的建立相比，Q开关动作必须比较快，否则受激发射将是一个渐进过程，将得到比所需要时间长的脉冲，使得功率减小。实用上希望Q开关时间至少要短于10ns。,要能实现Q开关作用，有两个重要条件，这就是：,（1）泵浦速率必须快于高能级的自发衰变速率。,调Q可以将激光脉冲压缩到毫微秒，将峰值功率提高到千兆瓦。想进一步压缩脉冲宽度，调Q原理就难以实现了。,锁模的发展过程先后经历了主动锁模 被动锁模 同步泵浦锁模 碰撞锁模(CPM) 以及90年代出现的相加脉冲锁模(APM)、克尔透镜锁模(KLM)等。,二、锁模,60年代，锁模光脉冲宽度为皮秒(1012S)量级； 70年代，脉冲宽度达到亚皮秒(10-13s)量级； 80年代，美国科学家获得6fs(10-15s)的光脉冲；而在1997年又有报导，已获得小于5fs的超短光脉冲，这是迄今为止人们获得的最短光脉冲。,
