光束的調(diào)制和掃描

1、第三章光束的調(diào)制和掃描3.1 光束調(diào)制原理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E (t ) Ac cos(c tc )(3.1-1)式中 Ac 為振幅，c 為角頻率， c 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

2、)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，使光波的某個參量受到調(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。下面介紹這幾種調(diào)制的概念。1.振幅調(diào)制振幅調(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)制信號是一時間的余弦函數(shù)，即a(t )Am cosmt(3.1-2)調(diào)幅波的表達(dá)式為E (t )Ac 1macos m t cos(ctc )(3.1-3)調(diào)幅波的頻譜為E(t

3、) Ac cos( c tc )maAc cos(cm )tc 2(3.1-4)ma Ac cos(cm )tc 2頻譜由三個頻率成分組成，第一項是載頻分量，第二、三項是稱為邊頻分量，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邊頻帶組成。1AcmaAc/2maAc/2c-mcc+mt2 m圖 1 調(diào)幅波頻譜2.頻率調(diào)制和相位調(diào)制調(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。因為這兩種調(diào)制波都表現(xiàn)為總相角 (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c 隨調(diào)制信號變化(t )c(t)

4、ck f a(t )(3.1-5)則調(diào)制波的表達(dá)式為E (t ) Ac cos( ct m f sin mtc )(3.1-6)同樣，相位調(diào)制就是 相位角 c 隨調(diào)制信號的變化規(guī)律而變化，則調(diào)相波的表達(dá)式為E (t ) Ac cos( ct m sin mtc )(3.1-8)由于調(diào)頻和調(diào)相實質(zhì)上最終都是調(diào)制總相角，因此可寫成統(tǒng)一的形式E (t)Ac cos( ctmsinmtc )(3.1-9)上式按三角公式展開，并應(yīng)用cos(msinmt )J0 ( m)2J2 n (m) cos(2nmt )n 1sin(msinmt )2J 2n 1( m) sin( 2n1)mt n1得到E (t

5、) Ac J 0 ( m) cos( ctc )AcJ n ( m)cos(n m )t(1) n(3.1-10)cccos( c n m )tc n 12可見，在單頻余弦波調(diào)制時， 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， 這是因為接收器一般都是直接響應(yīng)其所接收的光強(qiáng)。光束強(qiáng)度定義為光波電場的平方I (t )E 2 (t)Ac2 cos2 (c tc )(3.1-11)于是，強(qiáng)度調(diào)制的光強(qiáng)可

6、表示為Ac22c )(3.1-12)I (t )1 k p a(t ) cos ( ct2仍設(shè)調(diào)制信號是單頻余弦波，則I ( t)Ac21 m p cosmt cos2 ( ctc )(3.1-13)2I(t)調(diào)制信號載波t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m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。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

7、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、3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。(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)制形式例如用調(diào)制信號改變電脈沖序列中每一個脈沖產(chǎn)生的時間， 則其每個脈沖的位置與未調(diào)制時的位置有一個與調(diào)制信號成比例的位

8、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E(t )Ac cos( ctc ) (當(dāng) tndt tnd)p 1 M (t n )(3.1-14)d25.脈沖編碼調(diào)制這種調(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。要實現(xiàn)脈沖編碼調(diào)制，必須進(jìn)行三個過程：抽樣、量化和編碼。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4頻率大兩倍以上，就能恢復(fù)

9、原信號。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。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。盡管光束調(diào)制方式不同，但其調(diào)制的工作原理都是基于電光、聲光、磁光等各種物理效應(yīng)。因此，后

10、邊分別討論電光調(diào)制、聲光調(diào)制、磁光調(diào)制和直接調(diào)制的原理和方法。3.2 電光調(diào)制利用電光效應(yīng)可實現(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)均可實現(xiàn)電光強(qiáng)度調(diào)制。縱向電光調(diào)制器及其工作原理縱向電光強(qiáng)度調(diào)制起的結(jié)構(gòu)如圖4 所示。xP12I izPyxy入射光調(diào)制光LI o起偏器/4 波片檢偏器V圖 4 縱向電光強(qiáng)度調(diào)制進(jìn)入晶體后被分解為沿x 和 y 方向的兩個分量，其振幅和相位都相同，分別為5Ex (0)Acosc t ，或Ex (0)Ae x pi ( c t) 。E y (0)A cosctEy (

11、0)A e x pi ( ct)入射光強(qiáng)度為I i E E *22(3.2-1)Ex (0)E y (0)2A2通過長度為 L 的晶體之后， Ex 和 E y 兩個分量之間產(chǎn)生了一相位差，則有 Ex ( L )A ，E y ( L)Ae i。那么，通過檢偏器后的總電場強(qiáng)度是Ex (L ) 和 Ey (L ) 在 y 方向的投影之和，即 (Ey )oA (e i1) 。2與之相應(yīng)的輸出光強(qiáng)為I o( E y ) o*A2ii2sin23.2-2)( E y ) o (e1)(e1) 2A22調(diào)制器的透過率TI osin 2sin2V(3.2-3)I i22 V光強(qiáng)調(diào)制特性曲線如圖5 所示。sin

12、 2V1002 Vm)%(率B透射光強(qiáng)過 50時間透0V電壓V /2調(diào)制電壓圖 5 電光調(diào)制特性曲線6可見，在一般情況下， 調(diào)制器的輸出特性與外加電壓的關(guān)系是非線性的。 若調(diào)制器工作在非線性區(qū)，則調(diào)制光強(qiáng)將發(fā)生畸變。為了獲得線性調(diào)制，可以通過引入一個固定的/2 相位延遲，使調(diào)制器的電壓偏值在 T50% 的工作點上。常用的辦法由兩種： 其一，在調(diào)制晶體上除了施加信號電壓之外，再附加一個V / 2 的固定偏壓，但此法會增加電路的復(fù)雜性， 而且工作點的穩(wěn)定性也差。 其二，如圖 4 所示，在調(diào)制器的光路上插入一/4 波片，其快慢軸與晶體的主軸x 成 45角，從而使 Ex 和 E y 兩個分量之間產(chǎn)生/

13、2 的固定相位差。于是總相位差為2Vm sinmtm sinm tV2調(diào)制的透過率可表示為TI osin 2m sinmt1 1sin( m sin mt )(3.2-4)I i422利用貝塞爾函數(shù)將上式中的sin(m sinmt) 展開得T1m ) sin( 2n1)mt(3.2-5) J2 n 1(2 n 0可見，輸出的調(diào)制光中含有高次諧波分量，使調(diào)制光發(fā)生畸變。為了獲得線性調(diào)制，必須將高次諧波控制在允許的范圍內(nèi)。設(shè)基頻波和高次波的幅值分別為 I 1 和 I 2n+1，則高次諧波與基頻波成分的比值為I 2n 1J2n 1 (m )(3.2-6)I1J1 (n 0,1,2, )m )若取，m

14、1rad ，則 J1(1)0.44， J3 (1) 0.02， I 3 / I10.045 ，即三次諧波為基波的 5%。在這個范圍內(nèi)可近似獲得線性調(diào)制，因而取mVm1rad(3.2-7)V作為線性調(diào)制的判據(jù)。為了獲得線性調(diào)制，要求調(diào)制信號不宜過大(小信號調(diào)制 )，那么輸出光強(qiáng)調(diào)7制波就是調(diào)制信號 VVm sinm t 的線性復(fù)現(xiàn)。如果m1rad 的條件不能滿足 (大信號調(diào)制 )，則光強(qiáng)調(diào)制波就要發(fā)生畸變。縱向電光調(diào)制器具有結(jié)構(gòu)簡單、 工作穩(wěn)定、不存在自然雙折射的影響等優(yōu)點。其缺點是半波電壓太高，特別是在調(diào)制頻率較高時，功率損耗比較大。 橫向電光調(diào)制橫向電光效應(yīng)的運(yùn)用可以分為三種不同形式： 沿

15、z 軸方向加電場，通光方向垂直于 z 軸，并與 x 軸或 y 軸成 45 夾角 (晶體為 45 -z 切割 )。沿 x 方向加電場 (即電場方向垂直于光軸 )，通光方向垂直于 x 軸，并與 z 軸成 45 夾角 (晶體為 45 -x 切割 )。 沿 y 方向加電場 (即電場方向垂直于光軸 )，通光方向垂直于 y 軸，并與 z 軸成 45 夾角 (晶體為 -y 切割 )。在此僅以 KDP 晶體的第一類運(yùn)用方式為代表進(jìn)行分析。橫向電光調(diào)制如圖6 所示。進(jìn)入晶體后，將分解為沿 x 和 z 方向振動的兩個分量，其折射率分別為nx 和 nz 。若通光方向的晶體長度為L，厚度 (兩電極間的距離 )為 d，

16、外加電壓 VEd ，則從晶體出射兩光波的相位差為2(nxnz ) L2( none ) L1 no3 r63 ( L)V (3.2-9)2d可見，KDP 晶體的 r63 橫向電光效應(yīng)使光波通過晶體后的相位延遲包括兩項：第一項是與外電場無關(guān)的晶體本身的自然雙折射引起的相位延遲， 向?qū)φ{(diào)制器的工作沒有什么貢獻(xiàn)，而且當(dāng)晶體溫度變化時，還會帶來不利影響，應(yīng)設(shè)法消除。第二項是外電場作用產(chǎn)生的相位延遲，他與外加電壓 V 和晶體的尺寸 L/d 有關(guān)，若適當(dāng)?shù)剡x擇晶體的尺寸，則可以降低半波電壓。在實際應(yīng)用中，主要是采用一種“組合調(diào)制器”的結(jié)構(gòu)予以補(bǔ)償。常用的補(bǔ)償方法有兩種：一種方法是將兩塊尺寸、性能完全相同的晶體的光軸互成90 串聯(lián)排列，即一塊晶體的 y 和 z 軸分別與另一塊晶體的z 和 y 平行；另一種方法是， 兩塊晶體的 z 軸和 y 軸互相反向平行排列， 中間放置/2 波片。這兩種方法的補(bǔ)償原理是相同的。外電場沿z 軸(光軸 )方向，但在兩塊晶體8中電場相對于光軸反向， 當(dāng)線偏振光沿 y 軸方向入射第一塊晶體時， 電矢量分