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1、第第4章章 激光的基本技术激光的基本技术(2)4.3 激光束的变换激光束的变换4.4 激光调制技术激光调制技术14.3 激光束的变换激光束的变换激光从激光器里输出以后都要经过一定的光束变换以后才激光从激光器里输出以后都要经过一定的光束变换以后才会被用到各种应用场合会被用到各种应用场合光束变换的基本工具是透镜光束变换的基本工具是透镜,薄透镜对高斯光束的作用与薄透镜对高斯光束的作用与平常的成象作用有一定的不同平常的成象作用有一定的不同,需要进行研究需要进行研究本节从薄透镜的光束变换特性出发讨论本节从薄透镜的光束变换特性出发讨论高斯光束通过薄透高斯光束通过薄透镜时的变换镜时的变换继而研究高斯光束的聚
2、焦高斯光束的准直继而研究高斯光束的聚焦高斯光束的准直2薄透镜对球面波的曲率变换作用薄透镜对球面波的曲率变换作用几何光学中透镜起成像的作用，其成象公式描述了物象关系几何光学中透镜起成像的作用，其成象公式描述了物象关系物理光学则把透镜的作用看成是使光波得到变换，把如图所示的发物理光学则把透镜的作用看成是使光波得到变换，把如图所示的发散球面波变成会聚球面波。若将发散球面波的曲率半径记做正散球面波变成会聚球面波。若将发散球面波的曲率半径记做正R，会聚球面波的曲率半径为负会聚球面波的曲率半径为负R，透镜的作用可记做：透镜的作用可记做：透镜的作用就是改变光波波阵面透镜的作用就是改变光波波阵面的曲率半径的曲
3、率半径在傅里叶光学中透镜的作用则是在傅里叶光学中透镜的作用则是提供附加位相因子提供附加位相因子从不同角度对透镜的物理作用有从不同角度对透镜的物理作用有不同的解释其实质是一样的。不同的解释其实质是一样的。图4-15 球面波通过薄透镜的变换3高斯光束通过薄透镜时的变换高斯光束通过薄透镜时的变换透镜的变换应用到高斯光束上，如下图所示，有以下关系透镜的变换应用到高斯光束上，如下图所示，有以下关系前式是薄透镜假设：透镜足够薄至前式是薄透镜假设：透镜足够薄至使入射高度和出射高度不变使入射高度和出射高度不变实际问题中，通常实际问题中，通常 和和 是已知的，是已知的，此时此时 ，则可以根据高斯光束，则可以根据
4、高斯光束的性质计算出入射光束在镜面处的的性质计算出入射光束在镜面处的波阵面半径和有效截面半径，利用上述透镜的变换公式进一步计算出波阵面半径和有效截面半径，利用上述透镜的变换公式进一步计算出由透镜出射的波阵面半径和有效截面半径就可以得到出射光束的束腰由透镜出射的波阵面半径和有效截面半径就可以得到出射光束的束腰位置和束腰半径，因而可以确定变换后得到的出射高斯光束位置和束腰半径，因而可以确定变换后得到的出射高斯光束图（图（4-16）高斯光束通过薄透镜的变换）高斯光束通过薄透镜的变换4高斯光束通过薄透镜时的计算高斯光束通过薄透镜时的计算入射光束在镜面处的波阵面半径和有效截面半径分别入射光束在镜面处的波
5、阵面半径和有效截面半径分别用上页的公式计算出出射光束用上页的公式计算出出射光束的波阵面半径和有效截面半径的波阵面半径和有效截面半径利用出射光束在镜面处的波阵面半径和有效截面半径计算出其束利用出射光束在镜面处的波阵面半径和有效截面半径计算出其束腰半径和束腰位置腰半径和束腰位置54.3.2 高斯光束的聚焦高斯光束的聚焦短焦距：即短焦距：即短焦距时短焦距时在满足条件在满足条件 和和 的情况下，出射的光束聚焦于透的情况下，出射的光束聚焦于透镜的焦点附近。如图镜的焦点附近。如图4-17所示，所示，这与几何光学中的平行光通过透这与几何光学中的平行光通过透镜聚焦在焦点上的情况类似。镜聚焦在焦点上的情况类似。
6、图4-17 短焦距透镜的聚焦61. 高斯光束入射到短焦距透镜时的聚焦情形高斯光束入射到短焦距透镜时的聚焦情形由前面的结论可得聚焦点光斑尺寸：由前面的结论可得聚焦点光斑尺寸：71.高斯光束入射到短焦距透镜时的聚焦情形高斯光束入射到短焦距透镜时的聚焦情形 即缩短即缩短 和加大和加大 都可以缩小聚焦点光斑尺寸的目的。都可以缩小聚焦点光斑尺寸的目的。前一种方法就是要采用焦距小的透镜前一种方法就是要采用焦距小的透镜 后一种方法又有两种途径：一种是通过加大后一种方法又有两种途径：一种是通过加大s来加大来加大 ；另一种办法；另一种办法就是加大入射光的发散角从而加大就是加大入射光的发散角从而加大 ，加大入射光
7、的发散角又可以有，加大入射光的发散角又可以有两种做法两种做法 ，如图，如图4-18和图和图4-19图4-18 用凹透镜增大后获得微小的0图4-19 用两个凸透镜聚焦81.高斯光束入射到短焦距透镜时的聚焦情形高斯光束入射到短焦距透镜时的聚焦情形这与几何光学中物、象的尺寸比例关系是一致的。这与几何光学中物、象的尺寸比例关系是一致的。通过以上的讨论我们看到，不论是聚焦点的位置，还是求会聚通过以上的讨论我们看到，不论是聚焦点的位置，还是求会聚光斑的大小，都可以在一定的条件下把高斯光束按照几何光学光斑的大小，都可以在一定的条件下把高斯光束按照几何光学的规律来处理的规律来处理92.入射高斯光束的腰到透镜的
8、距离入射高斯光束的腰到透镜的距离s等于透镜等于透镜焦距焦距f的情形的情形(1)(2)同理有：同理有：(3) (3) 根据高斯光束的渐根据高斯光束的渐变性可以设想，只要变性可以设想，只要 和和 相差不大，高斯相差不大，高斯光束的聚焦特性会与几光束的聚焦特性会与几何光学的规律迥然不同。何光学的规律迥然不同。10图(4-20) 倒装望远镜系统压缩光束发散角4.3.3 高斯光束的准直高斯光束的准直高斯光束的准直：改善光束的方向性，压缩光束的发散角。高斯光束的准直：改善光束的方向性，压缩光束的发散角。 可以看出，增大出射光束的腰粗就可以缩小光束的发散角。可以看出，增大出射光束的腰粗就可以缩小光束的发散角
9、。选用两个透镜，短焦距的凸透镜和焦距较长的凸透镜可以达到准直的选用两个透镜，短焦距的凸透镜和焦距较长的凸透镜可以达到准直的目的。目的。M是是高斯光束通过透镜系统后光高斯光束通过透镜系统后光束发散角的压缩比。束发散角的压缩比。M是倒置望是倒置望远镜对普通光线的倾角压缩倍数。远镜对普通光线的倾角压缩倍数。由于由于f2f1，所以所以M1。 又由又由于于 0 0，因此有，因此有M M 1114.4.1 激光调制的基本概念激光调制的基本概念激光调制就是把激光作为载波携带低频信号。激光调制就是把激光作为载波携带低频信号。激光调制可分为内调制和外调制两类。这里讲的主要是外调制激光调制可分为内调制和外调制两类
10、。这里讲的主要是外调制激光的瞬时光场的表达式激光的瞬时光场的表达式为提高抗干扰能力，常采用二次调制：先将欲传递的低频信号对一高为提高抗干扰能力，常采用二次调制：先将欲传递的低频信号对一高频副载波进行频率调制，再用该调频后的副载波对激光进行强度调制。频副载波进行频率调制，再用该调频后的副载波对激光进行强度调制。瞬时光的强度为瞬时光的强度为 若调制信号是正弦信号若调制信号是正弦信号 则则：激光幅度调制的表达式为激光幅度调制的表达式为 激光强度调制的表达式为激光强度调制的表达式为 激光频率调制的表达式为激光频率调制的表达式为 激光相位调制的表达式为激光相位调制的表达式为 124.4.2 电光强度调制
11、电光强度调制在单轴电光上沿在单轴电光上沿z轴方向施加电场轴方向施加电场,该晶体快轴该晶体快轴x和慢轴和慢轴y分别与分别与x,y轴轴成成45o角角; 设某时刻加在电光晶体上的电压为设某时刻加在电光晶体上的电压为V，入射到晶体的在，入射到晶体的在x方向上的线偏方向上的线偏振激光电矢量振幅为振激光电矢量振幅为E，则，则：通过晶体后沿快轴通过晶体后沿快轴 和慢轴和慢轴 的电矢量振幅都变为的电矢量振幅都变为沿沿 和和 方向振动的二线偏振光之间的位相差方向振动的二线偏振光之间的位相差 图(4-21) 典型的电光调制装置示意图13电光强度调制电光强度调制(续续)通过通振动方向与通过通振动方向与 y 轴平行的
12、偏振片检偏后产生的光振幅轴平行的偏振片检偏后产生的光振幅(见图见图421(b)分别为分别为 ， ，则有，则有 ，其相互之间的，其相互之间的位相差为位相差为 。则有：。则有：图图(422)画出了画出了 曲线的一部分曲线的一部分以及光强调制的情形。为使工作点选在以及光强调制的情形。为使工作点选在曲线中点处，通常在调制晶体上外加直曲线中点处，通常在调制晶体上外加直流偏压流偏压 来完成。来完成。如外加信号电压为正弦电压如外加信号电压为正弦电压(电压幅值较小电压幅值较小)， ，则输出光强近似为正弦形。，则输出光强近似为正弦形。图(4-22) I/I0-V曲线144.4.3 电光相位调制电光相位调制偏振片通振动方向与晶体偏振片通振动方向与晶体y轴平行轴平行,则加电场后，只有振动方向则加电场后，只有振动方向y轴相平行的光通过长度为轴相平行的光通过长度为l 的晶体，其位相增加为的晶体，其位相增加为晶体上所加的是正弦调制电场晶体上所加的是正弦调制电场 ，光在晶体的输入面，光在晶体的输入面(z=0)处的场矢量大小是处的场矢量大小是 则在晶体输出面则在晶体输出面(z=l)处的场矢量大小可写成处的场矢量大小可写成 式中，式中， 为相位调制度为相位调制度图(4-23) 相位调制装置示意图15习题习题P99: 2, 3, 4, 516
