【導(dǎo)讀】激光器的發(fā)明，解決了光頻載波的產(chǎn)生問題，從此電子技術(shù)的各種基本概念幾乎都移植到了光頻段，電子學(xué)與光學(xué)之間的鴻溝在概念上消失了，產(chǎn)生了光頻段的電子技術(shù)，即光電子技術(shù)。當(dāng)然由于波段不同，電子學(xué)波段和光頻段在相應(yīng)器件的結(jié)構(gòu)上完全不同。盡管如此，從電子學(xué)頻段擴(kuò)展的意義上講，光電子技術(shù)就是電子技術(shù)在光頻段的開拓和發(fā)展；從技術(shù)發(fā)展的角度上講，光電子技術(shù)也是電子技術(shù)與光學(xué)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。本課程是在《光學(xué)》、《激光原理》、《信息光學(xué)》和《傳感技術(shù)》等課程修完的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，并作為學(xué)習(xí)相關(guān)專業(yè)課的基礎(chǔ)。掌握光輻射的基本定律，包括基爾霍夫輻射定律、普朗克定律、瑞利-瓊斯公式、維恩公式和斯忒潘-玻爾茲曼定律；掌握激光原理，以及常見激光器的結(jié)構(gòu)與原理，包括固體激光器、氣體激光器和半導(dǎo)體二極管激光器。

　　

【正文】 型，如圖232所示。 ()fc是半功率點(diǎn)頻率。顯然有 ()因此，fc稱為光纖的3dB光帶寬。激光出現(xiàn)后，強(qiáng)光場足以展現(xiàn)物質(zhì)對光場的非線性響應(yīng)。這種與光強(qiáng)有關(guān)的光學(xué)效應(yīng)通常稱為非線性光學(xué)效應(yīng)。將非線性光學(xué)介質(zhì)中感應(yīng)極化強(qiáng)度展開為外光場的冪級數(shù)形式，即 ()1. 非線性電極化率介質(zhì)的感應(yīng)極化強(qiáng)度克表示為，取，則有 ()“物理光學(xué)”用經(jīng)典線性諧振子模型導(dǎo)出了線性極化率的表達(dá)式 ()非簡諧運(yùn)動方程為 ()當(dāng)給定電場E(t)，解出r，由感應(yīng)極化強(qiáng)度P=Ner及P和電場E的冪級數(shù)形式，就可求出P和電極化率。一般用微擾法對方程逐級近似求解?？紤]頻率為w1和w2的光場 ()可解得 ()非線性響應(yīng)的特點(diǎn)是頻率為w1和w2的光場在非線性介質(zhì)中感應(yīng)的電極化強(qiáng)度，不僅具有頻率w1和w2的分量，還具有頻率為2w1，2w2，w1177。w2的分量。這些極化強(qiáng)度分量作為次波輻射源，將輻射出2w1，2w2，w1177。w2的電磁波，這就是非線性光學(xué)中的倍頻、和頻以及差頻等光學(xué)效應(yīng)。2. 光波在非線性介質(zhì)中的傳播設(shè)相互作用的光波為單色平面波，則其振幅不隨時(shí)間而變化。把非線性激勵項(xiàng)作為一種微擾處理。單色平面波的振幅相對變化很小，即可用慢變化近似。（為光波偏振分量的單位矢量）隨傳播距離的變化關(guān)系為 ()這就是描述光波在非線性介質(zhì)內(nèi)彼此間產(chǎn)生參量互作用的基本關(guān)系式——耦合波方程。假設(shè)非線性介質(zhì)中三個(gè)波的頻率分別為w1，w2，w3（w1+w2），其波矢量都沿z方向?？傻玫饺詈戏匠? ()不同頻率的光波在非線性介質(zhì)中，可以發(fā)生能量的互相轉(zhuǎn)移，這種能量的相互轉(zhuǎn)移是通過非線性介質(zhì)的有效非線性電極化率ceff來耦合的。下面求解光混頻和倍頻的小信號穩(wěn)態(tài)解。⑴ 光混頻及光倍頻的轉(zhuǎn)換效率仍考慮三波耦合過程，并設(shè)由頻率為w1和w2的光波混頻產(chǎn)生w3=w1+w2頻率的光波。在小信號近似條件下，近似認(rèn)為在光混頻過程，頻率為w1和w2的光波場的強(qiáng)度改變量很小，在三波混頻過程中可視為常數(shù)。三波耦合方程組中只剩下頻率為w3光波的一個(gè)方程: ()設(shè)非線性介質(zhì)長為L，在入射端z=0處，E3=0，得 ()可用光強(qiáng)表示為 ()這是和頻過程。只要以w2代替w2，以代替E2，就是差頻過程。當(dāng)w1=w2=w，w3=2w 時(shí)，就是倍頻過程。在倍頻過程中通常把頻率為w的光波稱為基波，頻率為2w的光波稱為倍頻波或二次諧波。倍頻的光強(qiáng)為 ()為有效非線性系數(shù)。一般用輸出的倍頻光強(qiáng)與基波的光強(qiáng)之比表征轉(zhuǎn)換效率，稱為倍頻轉(zhuǎn)換效率hSHG ()⑵相位匹配條件及原理當(dāng)Dk=0時(shí)，相位因子等于1，稱為相位匹配條件；而當(dāng)Dk185。0時(shí)，相位因子小于1，稱為相位失配。只有在相位匹配條件下，才能獲得最高的轉(zhuǎn)換效率。在實(shí)際光學(xué)倍頻和混頻應(yīng)用中，為了獲得較高的轉(zhuǎn)換效率，要考慮相位匹配條件。q Ixyknowne2wq IIxyk(now+ new)/2ne2w實(shí)現(xiàn)相位匹配的方法有利用晶體的雙折射性質(zhì)的角度相位匹配和晶體的折射率隨溫度變化的溫度相位匹配。負(fù)單軸晶體（none）角度相位匹配為例簡要說明相匹配的原理。如果選兩個(gè)基頻波（w）都為o光，倍頻波為e光，稱為I類匹配，用o+o174。e表示。這時(shí)相位匹配條件為 ()欲使，必須選擇合適的入射角，使。若，總會存在一個(gè)角度q I，使。因此如果o偏振的基頻波沿q I方向傳播，則在同一方向產(chǎn)生e偏振的倍頻光。如果選兩個(gè)基頻波（w）分別為o光和e光，倍頻波為e光，稱為II類匹配，用o+e174。e表示。這時(shí)相位匹配條件為 ()欲使，則要求。 光波在水中的傳播在水中傳播的各種波中，縱波的衰減最小，因而聲納技術(shù)被廣泛采用。而電磁波的衰減一般都很嚴(yán)重，以致在陸地上廣為應(yīng)用的無線電波和微波在水下幾乎無法應(yīng)用。然而光波卻是一例外，相對無線電波和微波而言，其衰減較小。1. 傳播光束的衰減特性單色平行光束在水中傳播的衰減規(guī)律也近似服從指數(shù)規(guī)律 ()e是散射和吸收的衰減系數(shù)。既與水質(zhì)有關(guān)，又與傳播光束的波長有關(guān)。習(xí)慣上用衰減長度L0表示水下傳播光束衰減的大小，定義L0=1/e(m)。表1 自來水衰減系數(shù) 衰減系數(shù)波長(mm)自來水衰減系數(shù)e(m1)蒸餾水吸收系數(shù)(m1)微粒散射系數(shù)(m1)106104102100相對吸收 10紫外 可見 紅外圖1 蒸餾水的光譜吸收特性波長(mm)可見，紫外和紅外波段的光波在水中的衰減很大，在水下無法使用。藍(lán)綠光的衰減最小，故常稱該波段為“水下窗口”。這說明藍(lán)光比紅光在水中的傳輸性能要好得多。光脈沖的作用距離方程為 ()把式中的P0和P分別理解為光發(fā)射功率和探測器的最小可探測功率，則L就是光脈沖在水下所能傳輸?shù)淖钸h(yuǎn)距離。如果取P0=106W，P=1014W，其作用距離可達(dá)500m，其作用距離僅為80m。此外，水質(zhì)不同，其衰減特性差異很大。遠(yuǎn)海區(qū)海水清潔，衰減距離較長，近海岸區(qū)海水混濁，衰減長度大為減小。2. 前向散射光在傳輸方向上的散射稱為前向散射，而在相反方向的散射稱為后向散射。前向散射包含復(fù)雜的散射過程，如圖2所示。接收面上的總照度Ee應(yīng)為單程照度和多程照度之和 ()光源單程光束多程光束接收平面光束截面圖2前向散射示意圖k為多程衰減系數(shù)；L為傳輸距離。前向散射使光束傳輸距離明顯增大，傳輸距離越遠(yuǎn)，前向散射光的貢獻(xiàn)就越大。這種效應(yīng)對水下照明有利，但對水下光束掃描和水下攝影不利，它會使掃描分辨率和目標(biāo)背景比度下降。3. 后向散射光脈沖光發(fā)射光接收目標(biāo)關(guān)光接收關(guān)后向散射光光發(fā)射光接收關(guān)光發(fā)射光接收開圖3 光學(xué)距離選通示意圖水下傳輸光束的另一個(gè)特點(diǎn)就是后向散射較前向散射強(qiáng)烈得多。因此在水下測距、電視、攝影等應(yīng)用中，主要是設(shè)法克服這種后向散射的影響。措施如下：⑴適當(dāng)?shù)剡x擇濾光片和檢偏器，以分辨無規(guī)則偏振的后向散射和有規(guī)則偏振的目標(biāo)反射。⑵盡可能的分開發(fā)射光源和接收器。⑶采用如圖3所示的距離選通技術(shù)。第三章 光束的調(diào)制和掃描（講授10學(xué)時(shí)，自學(xué)8學(xué)時(shí)） 本章主要講授實(shí)現(xiàn)光束的調(diào)制、掃描的原理、方法和特性，以及空間調(diào)制器的原理和結(jié)構(gòu)。1. 基本要求（1）掌握光束調(diào)制原理，包括電光調(diào)制、聲光調(diào)制、磁光調(diào)制和直接調(diào)制的原理、實(shí)現(xiàn)方法和特點(diǎn)及應(yīng)用；（2）熟練掌握光束掃描的原理，包括機(jī)械掃描、聲光掃描、電光掃描的原理和實(shí)現(xiàn)方法和器件結(jié)構(gòu)；（3）了解空間調(diào)制器的原理、特點(diǎn)和應(yīng)用。2. 重點(diǎn)、難點(diǎn)重點(diǎn)：電光調(diào)制、聲光調(diào)制、直接調(diào)制、聲光掃描、電光掃描、空間調(diào)制器難點(diǎn)：LD的直接調(diào)制和聲光掃描要用激光作為信息的載體，就必須解決如何將信息加到激光上去的問題，這種將信息加載于激光的過程稱為調(diào)制，完成這一過程的裝置稱為調(diào)制器。其中激光稱為載波，起控制作用的低頻信息稱為調(diào)制信號。光波的電場為 ()Ac為振幅，wc為角頻率，jc為相位角。既然光束具有振幅、頻率、相位、強(qiáng)度和偏振等參量，如果能夠應(yīng)用某種物理方法改變光波的這些參量之一，使其按照調(diào)制信號的規(guī)律變化，那么激光束就受到了信號的調(diào)制，達(dá)到“運(yùn)載”信息的目的。實(shí)現(xiàn)激光束調(diào)制的方法，根據(jù)調(diào)制器與激光器的關(guān)系可以分為內(nèi)調(diào)制(直接調(diào)制)和外調(diào)制兩種。內(nèi)調(diào)制是指加載信號是在激光振蕩過程中進(jìn)行的，以調(diào)制信號改變激光器的振蕩參數(shù)，從而改變激光器輸出特性以實(shí)現(xiàn)調(diào)制。外調(diào)制是指激光形成之后，在激光器的光路上放置調(diào)制器，用調(diào)制信號改變調(diào)制器的物理性能，當(dāng)激光束通過調(diào)制器時(shí)，使光波的某個(gè)參量受到調(diào)制。光束調(diào)制按其調(diào)制的性質(zhì)可分為調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相及強(qiáng)度調(diào)制等。振幅調(diào)制就是載波的振幅隨調(diào)制信號的規(guī)律而變化的振蕩，簡稱調(diào)幅。若調(diào)制信號是一時(shí)間的余弦函數(shù)，即 ()調(diào)幅波的表達(dá)式為 ()調(diào)幅波的頻譜為 ()頻譜由三個(gè)頻率成分組成，第一項(xiàng)是載頻分量，第二、三項(xiàng)是稱為邊頻分量，如圖1所示。上述分析是單余弦信號調(diào)制的情況。如果調(diào)制信號是一復(fù)雜的周期信號，則調(diào)幅波的頻譜將由載頻分量和兩個(gè)邊頻帶組成。t2wmwcwm wc wc+wm wAcmaAc/2maAc/2圖1 調(diào)幅波頻譜調(diào)頻或調(diào)相就是光載波的頻率或相位隨著調(diào)制信號的變化規(guī)律而改變的振蕩。因?yàn)檫@兩種調(diào)制波都表現(xiàn)為總相角y(t)的變化，因此統(tǒng)稱為角度調(diào)制。對頻率調(diào)制來說，就是中的角頻率wc隨調(diào)制信號變化 ()則調(diào)制波的表達(dá)式為 ()相位調(diào)制就是相位角jc隨調(diào)制信號的變化規(guī)律而變化，調(diào)相波的表達(dá)式為 ()由于調(diào)頻和調(diào)相實(shí)質(zhì)上最終都是調(diào)制總相角，因此可寫成統(tǒng)一的形式 ()上式按三角公式展開，并應(yīng)用得到 ()在單頻余弦波調(diào)制時(shí)，其角度調(diào)制波的頻譜是由光載頻與在它兩邊對稱分布的無窮多對邊頻組成。顯然，若調(diào)制信號不是單頻余弦波，則其頻譜將更為復(fù)雜。3. 強(qiáng)度調(diào)制強(qiáng)度調(diào)制使光載波的強(qiáng)度(光強(qiáng))隨調(diào)制信號規(guī)律變化的激光振蕩，如圖2所示。光束調(diào)制多采用強(qiáng)度調(diào)制形式，這是因?yàn)榻邮掌饕话愣际侵苯禹憫?yīng)其所接收的光強(qiáng)。光束強(qiáng)度定義為光波電場的平方 ()于是，強(qiáng)度調(diào)制的光強(qiáng)可表示為 ()仍設(shè)調(diào)制信號是單頻余弦波，則 ()I(t)t調(diào)制信號載波圖2 強(qiáng)度調(diào)制強(qiáng)度調(diào)制波的頻譜可用前面所述的類似方法求得，其結(jié)果與調(diào)幅波略有不同，其頻譜分布除了載頻及對稱分布的兩邊頻之外，還有低頻wm和直流分量。以上幾種調(diào)制方式所得到的調(diào)制波都是一種連續(xù)振蕩波，統(tǒng)稱為模擬調(diào)制。(a) 調(diào)制信號(b) 脈沖幅度調(diào)制(c) 脈沖寬度調(diào)制(d) 脈沖頻率調(diào)制(e) 脈沖位置調(diào)制圖3 脈沖調(diào)制形式4. 脈沖調(diào)制目前廣泛采用一種不連續(xù)狀態(tài)下進(jìn)行調(diào)制的脈沖調(diào)制和數(shù)字式調(diào)制(脈沖編碼調(diào)制)。它們一般是先進(jìn)行電調(diào)制，再對光載波進(jìn)行光強(qiáng)度調(diào)制。脈沖調(diào)制是用間歇的周期性脈沖序列作為載波，并使載波的某一參量按調(diào)制信號規(guī)律變化的調(diào)制方法。即先用模擬調(diào)制信號對一電脈沖序列的某參量(幅度、寬度、頻率、位置等)進(jìn)行電調(diào)制，使之按調(diào)制信號規(guī)律變化，成為已調(diào)脈沖序列，如圖3所示。然后再用這已調(diào)電脈沖序列對光載波進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制，就可以得到相應(yīng)變化的光脈沖序列。脈沖調(diào)制有脈沖幅度調(diào)制、脈沖寬度調(diào)制、脈沖頻率調(diào)制和脈沖位置調(diào)制等。例如用調(diào)制信號改變電脈沖序列中每一個(gè)脈沖產(chǎn)生的時(shí)間，則其每個(gè)脈沖的位置與未調(diào)制時(shí)的位置有一個(gè)與調(diào)制信號成比例的位移，這種調(diào)制稱為脈位調(diào)制，進(jìn)而再對光載波進(jìn)行調(diào)制，便可以得到相應(yīng)的光脈位調(diào)制波，其表達(dá)式為 ()這種調(diào)制是把模擬信號先變成電脈沖序列，進(jìn)而變成代表信號信息的二進(jìn)制編碼，再對光載波進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制。要實(shí)現(xiàn)脈沖編碼調(diào)制，必須進(jìn)行三個(gè)過程：抽樣、量化和編碼。⑴抽樣。抽樣就是把連續(xù)信號波分割成不連續(xù)的脈沖波，用一定的脈沖列來表示，且脈沖列的幅度與信號波的幅度相對應(yīng)。也就是說，通過抽樣，原來的模擬信號變成一脈幅調(diào)制信號。按照抽樣定理，只要取樣頻率比所傳遞信號的最高頻率大兩倍以上，就能恢復(fù)原信號。⑵量化。量化就是把抽樣后的脈幅調(diào)制波作分級取“整”處理，用有限個(gè)數(shù)的代表值取代抽樣值的大小。經(jīng)抽樣再通過量化過程變成數(shù)字信號。⑶編碼。編碼是把量化后的數(shù)字信號變換成相應(yīng)的二進(jìn)制碼的過程。即用一組等幅度、等寬度的脈沖作為“碼子”，用“有”脈沖和“無”脈沖分別表示二進(jìn)制數(shù)碼的“1”和“0”。再將這一系列反映數(shù)字信號規(guī)律的電脈沖加到一個(gè)調(diào)制器上，以控制激光的輸出，由激光載波的極大值代表二進(jìn)制編碼的“1”，而用激光載波的零值代表“0”。這種調(diào)制方式具有很強(qiáng)的抗干擾能力，在數(shù)字激光通信中得到了廣泛的應(yīng)用。盡管方式不同，但其調(diào)制的工作原理都是基于電光、聲光、磁光等物理效應(yīng)。 電光調(diào)制利用電光效應(yīng)可實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度調(diào)制和相位調(diào)制。本節(jié)以KDP電光晶體為例討論電光調(diào)制的基本原理和電光調(diào)制器的結(jié)構(gòu)。1. 電光強(qiáng)度調(diào)制利用縱向電光效應(yīng)和橫向電光效應(yīng)均可實(shí)現(xiàn)電光強(qiáng)度調(diào)制。⑴縱向電光調(diào)制器及其工作原理入射光P1Iixyzx162。y162。P2Io調(diào)制光~VL起偏器l/4波片檢偏器圖4 縱向電光強(qiáng)度調(diào)制縱向電光強(qiáng)度