前言

自1960年第一臺(tái)紅寶石激光器誕生以來(lái)，激光以其高光子簡(jiǎn)并度的特性而備受關(guān)注。隨著更多應(yīng)用的開發(fā)，激光技術(shù)在數(shù)十年的時(shí)間里得到了飛速發(fā)展，如激光調(diào)制技術(shù)、調(diào)Q技術(shù)、鎖模技術(shù)、穩(wěn)頻技術(shù)、頻率轉(zhuǎn)換技術(shù)等一系列激光技術(shù)的出現(xiàn)，促使激光性能得到進(jìn)一步提升。激光調(diào)制，是指通過(guò)一些特定方式，實(shí)現(xiàn)光信號(hào)一個(gè)或幾個(gè)特征參量（如激光的強(qiáng)度、頻率、相位、偏振等）的變化，且變化規(guī)律為特定可控。激光是一種頻率更高的電磁波，它具有很好的時(shí)間相干性和空間相干性，因此極易進(jìn)行調(diào)制。激光調(diào)制作為一項(xiàng)重要的激光應(yīng)用技術(shù)，已被廣泛應(yīng)用于激光通訊、傳感、顯示及加工等領(lǐng)域。

1. 光調(diào)制器分類

** 1.1根據(jù)調(diào)制器與激光器的相對(duì)關(guān)系分類**

根據(jù)調(diào)制器與激光器的相對(duì)關(guān)系來(lái)分類，通?？蓪⒓す庹{(diào)制分為內(nèi)調(diào)制和外調(diào)制。

1.1.1 內(nèi)調(diào)制

內(nèi)調(diào)制加載調(diào)制信號(hào)是在激光振蕩的過(guò)程中進(jìn)行的，即通過(guò)調(diào)制信號(hào)的規(guī)律去改變激光振蕩的參數(shù)，從而達(dá)到改變激光輸出的特性，實(shí)現(xiàn)調(diào)制。目前最常見的內(nèi)調(diào)制方式主要有兩種：

（1）通過(guò)泵浦：

由于泵浦是影響激光器輸出的最直接要素，因此，可直接控制激光器泵浦源（例如固體激光器，可通過(guò)泵浦輸出的功率大小、頻率及占空比等變化）直接影響激光器的最終輸出，從而實(shí)現(xiàn)輸出激光的調(diào)制。

（2）通過(guò)諧振腔：

諧振腔是組成激光器的三要素之一，因此，也可在諧振腔內(nèi)放置調(diào)制元件，通過(guò)控制調(diào)制元件物理特性的變化，改變諧振腔的參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)激光輸出特性的改變。調(diào)Q技術(shù)實(shí)際上也是實(shí)現(xiàn)激光內(nèi)調(diào)制的一種方式。

內(nèi)調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)是調(diào)制效率高，但由于調(diào)制放在腔內(nèi)進(jìn)行，損耗及調(diào)制帶寬均會(huì)受到影響。

1.1.2 外調(diào)制

外調(diào)制發(fā)生在激光形成之后，即調(diào)制在激光諧振腔外的光路中進(jìn)行，這一過(guò)程需要通過(guò)特定調(diào)制器件輔助實(shí)現(xiàn)。在調(diào)制器上加載調(diào)制信號(hào)后，可使調(diào)制器的某些物理特性發(fā)生相應(yīng)的變化，當(dāng)激光通過(guò)它時(shí)，光波的某些參量即得到調(diào)制。外調(diào)制改變的是已經(jīng)輸出的激光的參數(shù)，相比于內(nèi)調(diào)制，外調(diào)制的應(yīng)用更加靈活，也更易實(shí)現(xiàn)所需要的調(diào)制效果，但由于外調(diào)制建立在激光已有輸出基礎(chǔ)上，因此，也存在一定的局限性，例如激光峰值的輸出，通過(guò)外調(diào)制無(wú)法進(jìn)行改變，而通過(guò)內(nèi)調(diào)制，這一特性是可以進(jìn)行改變的。

1.2 根據(jù)調(diào)制器工作原理分類

按調(diào)制器的工作機(jī)理來(lái)分類，可分為直接調(diào)制、機(jī)械調(diào)制、磁光調(diào)制、電光調(diào)制，聲光調(diào)制。

1.2.1 直接調(diào)制

直接調(diào)制通常用于半導(dǎo)體激光器或發(fā)光二極管，電信號(hào)直接調(diào)制激光器的驅(qū)動(dòng)電流，使輸出光隨電信號(hào)變化而實(shí)現(xiàn)調(diào)制。直接調(diào)制可分為兩種類別：

（1）直接調(diào)制中的TTL調(diào)制

在激光器電源上外加一個(gè)TTL數(shù)字信號(hào)，這樣就能通過(guò)外信號(hào)控制激光器驅(qū)動(dòng)電流的通斷，進(jìn)而控制激光的出光頻率。

（2）直接調(diào)制中的模擬調(diào)制

在激光器電源上外加模擬信號(hào)（幅值小于5V的任意變化信號(hào)波），可以使外信號(hào)輸入不同電壓時(shí)對(duì)應(yīng)激光器不同的驅(qū)動(dòng)電流，進(jìn)而控制輸出激光的功率。

直接調(diào)制可使激光器達(dá)到很高的調(diào)制帶寬，3dB帶寬通常在10GHz以上。2020年日本電報(bào)電話公司（NTT）與東京工業(yè)大學(xué)未來(lái)科學(xué)與技術(shù)跨學(xué)科研究實(shí)驗(yàn)室合作開發(fā)了使用銦磷的超高速薄膜激光器，更是實(shí)現(xiàn)3dB帶寬超過(guò)100GHz的直接調(diào)制激光器。雖然直接調(diào)制能夠?qū)崿F(xiàn)很高的調(diào)制速率，但如前文提到的，其更適用于一些低功率的半導(dǎo)體激光器，對(duì)于大多工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景中的所需的高功率激光，該技術(shù)并不適用。

1.2.2 機(jī)械調(diào)制

機(jī)械調(diào)制是指通過(guò)機(jī)械方式，對(duì)輸出的激光進(jìn)行調(diào)制，由于機(jī)械調(diào)制受機(jī)械慣性及重量影響，通常無(wú)法實(shí)現(xiàn)很高的調(diào)制速度，只能達(dá)到幾十KHz。目前最常見的機(jī)械調(diào)制系統(tǒng)為光學(xué)斬波器，其通過(guò)電子控制的風(fēng)扇式葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)，將連續(xù)的激光調(diào)制為具有一定頻率的周期性斷續(xù)光。光學(xué)斬波器的結(jié)構(gòu)及控制相對(duì)簡(jiǎn)單，但缺點(diǎn)也較明顯，除速度以外，其也無(wú)法對(duì)單發(fā)激光的強(qiáng)度及相位等進(jìn)行調(diào)控。

1.2.3 磁光調(diào)制

當(dāng)一束平面偏振光通過(guò)置于磁場(chǎng)中的磁光介質(zhì)時(shí)，平面偏振光的偏振面就會(huì)隨著平行光線方向的磁場(chǎng)發(fā)生旋轉(zhuǎn)，這一現(xiàn)象稱為法拉第效應(yīng)或磁光效應(yīng)。磁光調(diào)制器是一種非機(jī)械式調(diào)制器，其是基于法拉第效應(yīng)開發(fā)出的一類光調(diào)制器件。

在磁光介質(zhì)上加入電路磁場(chǎng)，電路磁場(chǎng)的方向平行于磁光介質(zhì)的通光軸向，由法拉第旋光角計(jì)算公式可知（其中為旋光角度，V為磁光介質(zhì)維爾德常數(shù)，H為磁場(chǎng)強(qiáng)度，L為磁光介質(zhì)的有效同光長(zhǎng)度）：

在磁光介質(zhì)恒定的情況下，法拉第旋轉(zhuǎn)角度取決于軸向電流磁場(chǎng)的大小。因此，控制高頻線圈電流，改變軸向信號(hào)磁場(chǎng)強(qiáng)度，就可以控制光振動(dòng)面的旋轉(zhuǎn)角，使通過(guò)檢偏器的光振幅隨θ角的變化而變化，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)制。

1.2.4電光調(diào)制

利用電光效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的調(diào)制叫電光調(diào)制。電光調(diào)制的物理基礎(chǔ)是電光效應(yīng)，即某些晶體在外加電場(chǎng)的作用下，其折射率將發(fā)生變化，當(dāng)光波通過(guò)此介質(zhì)時(shí)，其傳輸特性就受到影響而改變。

實(shí)現(xiàn)電光調(diào)制的過(guò)程如上圖所示（以激光強(qiáng)度調(diào)制為例），電光普克爾盒內(nèi)的晶體隨著加載電壓的變化，折射率橢球發(fā)生相應(yīng)改變，橫向電光效應(yīng)光的相位變化關(guān)系如下式：

其中，δ為相位變化量，λ為激光波長(zhǎng)，γ為晶體電光習(xí)俗，n0為晶體折射率，V為加載在晶體上的電壓，l為晶體有效通光長(zhǎng)度，d為晶體加壓方向厚度。從上式容易知道，當(dāng)激光經(jīng)過(guò)普克爾盒時(shí)，加載在電光晶體上的電壓的改變將導(dǎo)致激光偏振發(fā)生改變，從而實(shí)現(xiàn)激光的調(diào)制。

1.2.5 聲光調(diào)制

聲光調(diào)制的物理基礎(chǔ)是聲光效應(yīng)，聲光效應(yīng)是指光通過(guò)某一受到超聲波擾動(dòng)的介質(zhì)時(shí)發(fā)生衍射的現(xiàn)象, 這種現(xiàn)象是光與介質(zhì)中的聲波相互作用的結(jié)果。介質(zhì)的折射率周期變化形成折射率光柵時(shí)，光波在介質(zhì)中傳播就會(huì)發(fā)生衍射現(xiàn)象，衍射光的強(qiáng)度、頻率和方向等將隨著超生波場(chǎng)的變化而變化。

聲光調(diào)制是利用聲光效應(yīng)將信息加載于光頻載波上的一種物理過(guò)程，調(diào)制信號(hào)是以電信號(hào)（調(diào)幅）形式作用于電-聲換能器上，將相應(yīng)的電信號(hào)轉(zhuǎn)化成超聲場(chǎng)。聲光效應(yīng)的衍射效率公式如下：

其中，η為聲光調(diào)制器衍射效率，λ為激光波長(zhǎng)，l為聲光介質(zhì)有效通光長(zhǎng)度，h為聲場(chǎng)作用寬度，P為射頻驅(qū)動(dòng)功率，M為聲光介質(zhì)的聲光優(yōu)值。當(dāng)激光經(jīng)過(guò)聲光調(diào)制器時(shí)，便會(huì)發(fā)生聲光互作用，通過(guò)控制注入射驅(qū)動(dòng)信號(hào)，我們能夠很容易實(shí)現(xiàn)激光的調(diào)制。

下表對(duì)已介紹的幾種主要調(diào)制方式的性能進(jìn)行對(duì)比：

從上表中可以看出，由于電光調(diào)制及聲光調(diào)制具有較優(yōu)越的性能（尤其在調(diào)制速度方面）且技術(shù)成熟，目前，激光應(yīng)用市場(chǎng)普遍采納這兩種調(diào)制技術(shù)作為調(diào)制最終解決方案。

隨著激光技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)有調(diào)制技術(shù)的瓶頸將不斷被突破，新調(diào)制技術(shù)也將不斷被開發(fā)并應(yīng)用，激光調(diào)制在激光應(yīng)用中將發(fā)揮更大的作用。脈博光電雖是一家初創(chuàng)企業(yè)，但憑借在調(diào)制技術(shù)領(lǐng)域數(shù)十年的研究及積累，擁有著對(duì)激光調(diào)制更深的理解，未來(lái)，脈博光電將依托自身優(yōu)勢(shì)，在此領(lǐng)域不斷深耕，不斷突破可能的極限，助力激光技術(shù)及產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。