最新天津大学《激光技术》课件-01-激光调制与偏转技术教学讲义pptPPT文档格式.ppt
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有附加损耗,降低输出功率;
调制器带宽受谐振腔通带的限制。
100%50%激光激光调制器在激光腔外-external优点:
不影响激光器的输出功率;
不受谐振腔通带的限制。
调制效率低。
3、激光调制的分类(两种分类方式)激光调制的分类(两种分类方式)
(1)按调制器与激光器的相对关系分类按调制器与激光器的相对关系分类
(2)按调制的性质分类按调制的性质分类利用调制信号去改变激光的利用调制信号去改变激光的某一参数某一参数,使其按调,使其按调制信号规律变化的过程。
制信号规律变化的过程。
激光调制:
振幅振幅-振幅调制振幅调制相位相位-相位调制相位调制频率频率-频率调制频率调制模拟调制模拟调制脉冲调制脉冲调制脉冲编码调制脉冲编码调制()cos()ccccetAtwwjj=+=+激光的电场强度:
激光的电场强度:
对未调波,激光输出功率稳定时各参数可认为是常数光强光强-强度调制强度调制I=|A|2如果以脉冲激光作为载波如果以脉冲激光作为载波幅度、脉宽、重复频率、位置三、振幅调制和光强调制三、振幅调制和光强调制1、振幅调制(调幅-Amplitudemodulation):
(1)定义:
以调制信号改变激光的振幅,使其按调制信号的规律变化的过程。
调制后:
()()()cosccttetAwjwj=+=+()()coscccctAetwjwj=+=+调制前:
调制前:
注:
ccarrier(载波)()()ctaAAtK=+=+调制后的振幅:
调制后的振幅:
a(t)调制信号,即要传递的信息;
K比例系数,调制灵敏度()()()()cocosscmmcceAttKAtwwwjwj=+=+调制后的电场:
调制后的电场:
()()cosmmatAtww=假设:
假设:
mmodulation(调制)a.调制前,激光的振幅是恒定的。
b.调制后,振幅按调制信号的规律变化,即实现了调幅。
定义c.调制后,振幅的包络线表示了激光振幅随时间的变化规律-调制信号的规律。
由上图可以看出:
调制前调制前调制信号调制信号调制后调制后振幅的包络振幅的包络振幅的包络振幅的包络
(2)调幅系数调幅系数可见,振幅的变化程度与调制信号的幅度有关-成正比。
为了表征调制前后激光振幅的变化程度,定义调幅系数调幅系数()()()cosccmmKKtatAAtAAww=+=+=+=+调制后的振幅:
maxcmAAAK=+=+最大振幅:
mincmAAAK=-=-最小振幅:
maxminmccAAAAAKAD=-=-=D=-=-=振幅最大变化量:
ccmamAAAKA=D=D=定义:
定义:
在调幅中,振幅的最大变化量与振幅的平均值之比。
根据调幅系数的定义容易看出:
ma主要由比例系数K和调制信号的振幅Am决定。
()()1coscamAtAtmww轾轾=+=+臌臌调制后的振幅:
minAmaxA2AD(a)ma越大,调制前后振幅的变化越大越大,调制前后振幅的变化越大调制深度越深调制深度越深(b)(b)为保证调制不失真,必须保证为保证调制不失真,必须保证ma1(3)调幅波的调幅波的频谱频谱分析分析()()()()()()()()coscos1coscoscoscos2cos2cmmcccamccccaccmcmcacccetAKAttAmttAtmAtmAtwwjwwjwwjwwjjjjjjjwwwwwwwwww轾轾=+=+臌臌轾轾=+=+臌臌=+=+轾轾+臌臌轾轾+-调幅后的电场调制前的激光-载频激光频率和调制频率之和上上边频边频激光频率和调制频率之差下下边频边频2acmA2acmAcAcwwcmwwww-cmwwww+2mwwww调幅波的频谱调幅波的频谱2、强度调制:
(Intensitymodulation)
(1)定义:
以调制信号改变激光的光强,使其按调制信号的规律变化的过程。
()()()()22220coscoscccccItetAtItwjwjwjwj=+=+=+=+光强的定义:
光强的定义:
常数()()()201cos2pccIItkattwjwj轾轾=+=+臌臌强度调制后强度调制后:
kp-比例系数设调制信号:
设调制信号:
()()cosmmatAtww=单频余弦波()()()201coscos2pmccIItmttwwjwwj轾轾=+=+臌臌则有:
则有:
ppmmkA=强度调制系数:
强度调制系数:
pmpkmA由由和和决定决定pmpkmA由由和和决定决定
(2)
(2)对对mp的要求:
的要求:
为确保不失真,必须为确保不失真,必须mp1(3)(3)频谱分析:
与振幅调制类似频谱分析:
与振幅调制类似载频、上下边频、载频、上下边频、m、直流分量、直流分量(a)调制系数越大,调制越深(b)调制后,光强的包络按调制信号规律变化。
符合定义、与调幅类似(c)mp取值不当会导致失真。
强度调制系数不同时的调制效果强度调制系数不同时的调制效果I0四、频率调制和相位调制四、频率调制和相位调制1、定义定义:
(:
(Frequency/phasemodulation)以调制信号去改变激光的频率(相位),使激光的频率(相位)按调制信号规律变化的过程,称为频率(相位)调制。
简称调频(相)调频(相)。
()cos()ccccetAtwwjj=+=+载波电场的表达式:
调相:
()()cctkatjjjjjjjj+常数总相角:
()ccttjjwwYY=+=+调频:
()()ccftkatwwwwww+常数a(t)调制信号kf比例系数调频和调相的结果都是使总相角总相角按调制信号的规律变化,因此统称为角角度调制度调制。
两者的差别仅在于实现方法的不同。
fmfmmkAm()()cosmmatAtww=假设:
调频:
()()cftkatwwww=+=+调频(相)波表达式的推导调频(相)波表达式的推导()()cossinccmcetAtmtwwjwwj=+=+调频(相)波的统一表达式调频(相)波的统一表达式:
mmkA调相系数()()()00ddttccfctttkattwjwjwjwj轾轾Y=+=+Y=+=+臌臌蝌蝌()0cosdtcfmmctkAttwwjwwj=+=+sincfmmmctkAtwwwjwwwj=+=+()()cossinccfmcetAtmtwwjwwj=+=+()()ctkatjjjjjj=+=+()()cosccccmmttkattkAtjjjjwjwjwwjwjwY=+=+Y=+=+()()coscosccmcetAtmtjjwwjwwj=+=+2、频谱分析频谱分析()()cossinccmcetAtmtwwjwwj=+=+调频(相)波的统一表达式:
调频(相)波的统一表达式:
利用三角公式展开:
()cos()cos(sin)sin()sin(sin)cccmccmetAtmttmtwjwwjwwjwwjw=+=+-+-+当当时(弱调制),有时(弱调制),有:
1=mcos(sin)1mmtwwsin(sin)sinmmmtmtwwww()cos()cos()sinsin()coscos)2()2(mccccccccccmcmcccttmmAtAetAtttmAwwjwwjjjwwwwwwjjjjjjwwwwww=+-=+-=-+-+-+当当m较大时,上述近似不能成立,须用贝塞尔函数展开较大时,上述近似不能成立,须用贝塞尔函数展开(电光调制器中详细讲)可见,在可见,在弱调制弱调制情况下出现边频情况下出现边频cm与调幅类似与调幅类似可见,在可见,在弱调制弱调制情况下出现边频情况下出现边频cm与调幅类似与调幅类似五、脉冲调制与编码调制五、脉冲调制与编码调制1.脉冲调制脉冲调制周期性周期性电电脉冲序列脉冲序列已调电脉冲序列已调电脉冲序列模拟调制信号模拟调制信号脉冲调幅(PAM)脉冲调宽(PWM)脉冲调频(PFM)脉冲调位(PPM)激光载波激光载波强度调制实际上是以经调制信号调制的调制信号调制的电电脉冲序列脉冲序列作为调制信号,对激光载波进行强度调制强度调制电调制2.编码调制编码调制对模拟调制信号进行抽样和量化,转变为数字信号;
然后对数字信号进行编码(0,1)并驱动调制器。
1-极大值,0-零值-数字强度调制用激光的“有”、“无”来传递信息(光纤通信)一、电光调制的物理基础一、电光调制的物理基础二、电光强度调制原理二、电光强度调制原理三、纵向电光强度调制器三、纵向电光强度调制器四、横向电光强度调制器四、横向电光强度调制器五、电光相位调制五、电光相位调制六、电光调制器的设计考虑六、电光调制器的设计考虑1.2电光调制(Electro-OpticalModulation)1.自然双折射:
自然双折射:
o光光e光光o光光e光光定义:
当一束光沿偏离光轴方向进入各向异性晶体各向异性晶体中时,会分解为偏振方向相互垂直的两束光,o光(振动方向主截面主截面),e光(振动方向主截面并和光的传播方向垂直),这种现象称为晶体的自然双折射。
只有光束沿晶体只有光束沿晶体光轴光轴z方向进入晶体,才不发生自然双折射方向进入晶体,才不发生自然双折射。
自然双折射的存在对电光调制器通常是有害的,应尽量避免或进行补偿。
一、电光调制器的物理基础一、电光调制器的物理基础介质的电光效应介质的电光效应2.晶体的电光效应:
晶体的电光效应:
晶体的折射率随外加电场的变化而变化的现象,称为晶体的电光效应电光效应。
20LnnnEhEggD=-=+D=-=+电光晶体折射率随外加电场的变化可用函数表示:
加场前后折射率的变化量nDD0n加场前晶体的折射率n加场后晶体的折射率E外加电场的场强gg线性电光系数h二次电光系数大多数晶体的一次效应要比二次效应显著。
电光调制利用的是晶体的电光调制利用的是晶体的一次电光效应。
一次电光效应。
泡克尔效应泡克尔效应(Pockels):
折射率变化与外加电场的一次方成正比一次电光效应线性电光效应克尔效应克尔效应(Ker):
折射率变化与外加电场的平方成正比二次电光效应平方电光效应xyz向加场:
感应主轴感应主轴x,y旋转45o,双轴晶体双轴晶体312oo63312oo63exzyzznnnEnnnEnngggg=-=-=+=+=3.E/O效应的定量描述效应的定量描述举例举例KDP(KH2PO4)加电场前:
单轴晶体单轴晶体,光轴z,折射率椭球旋转对称oexyznnnnn=222222+=1xyzxyznnnxy注意:
旋转角度与E无关折射率的变化与E有关
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