第三章-光束的調(diào)制和課件

第三章光束的調(diào)制和掃描

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、實現(xiàn)方法和特點及應(yīng)用；（2）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、特點和應(yīng)用。

重點：電光調(diào)制、聲光調(diào)制的原理第三章光束的調(diào)制和掃描基本要求第一講內(nèi)容二、光束調(diào)制技術(shù)1、電光調(diào)制原理2、聲光調(diào)制原理1、光調(diào)制概念2、光調(diào)制分類一、電光調(diào)制原理第一講內(nèi)容二、光束調(diào)制技術(shù)1、光調(diào)制概念一、電光調(diào)制原1、光調(diào)制概念2、光調(diào)制分類一、電光調(diào)制原理1、光調(diào)制概念一、電光調(diào)制原理1、光束調(diào)制的概念要用光作為信息的載體，就必須解決如何將信息加到光上去的問題，這種將信息加載于光的過程稱為光調(diào)制，完成這一過程的裝置稱為調(diào)制器。其中光稱為載波，起控制作用的低頻信息稱為調(diào)制信號。什么是光調(diào)制？1、光束調(diào)制的概念要用光作為信息的載體，就必須解決如何將信息式中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“運載”信息的目的。光波的電場為(3.1-1)如何調(diào)制光？式中Ac為振幅，c為角頻率，c為相位角。既然光束具有振幅用什么方法調(diào)制？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。用什么方法調(diào)制？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)按調(diào)制器的工作原理（基于的物理效應(yīng)）可以分為電光調(diào)制聲光調(diào)制磁光調(diào)制直接調(diào)制按所調(diào)制的參量可分為：振幅調(diào)制頻率調(diào)制相位調(diào)制強度調(diào)制2、光調(diào)制分類按調(diào)制器的工作原理（基于的物理效應(yīng)）可以分為電光調(diào)制按振幅調(diào)制就是使載波的振幅隨調(diào)制信號的規(guī)律而變化的調(diào)制，簡稱調(diào)幅。（1）振幅調(diào)制若調(diào)制信號是一時間的余弦函數(shù)，即調(diào)幅波的表達(dá)式為光波的電場為振幅調(diào)制就是使載波的振幅隨調(diào)制信號的規(guī)律而變化的調(diào)制，簡稱調(diào)光波的電場調(diào)制信號調(diào)幅波光波的電場調(diào)制信號調(diào)幅波－調(diào)幅系數(shù)－調(diào)幅系數(shù)2mc-m

c

c+m

AcmaAc/2maAc/2圖1調(diào)幅波頻譜2mc-mcc+（2）頻率調(diào)制或相位調(diào)制調(diào)頻或調(diào)相就是使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。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。光波的電場為對頻率調(diào)制來說，就是光波的角頻率c隨調(diào)制信號變化(t)（2）頻率調(diào)制或相位調(diào)制調(diào)頻或調(diào)相就是使光載波的頻率或相位隨若調(diào)制信號為余弦函數(shù)，即－－調(diào)頻系數(shù)單頻調(diào)頻(t)調(diào)頻信號的瞬時相位(t)是瞬時角頻率ω(t)對時間的積分,即若調(diào)制信號為余弦函數(shù)，即－－調(diào)頻系數(shù)單頻調(diào)頻(t)調(diào)頻信對相位調(diào)制來說，就是光波的相位c

隨調(diào)制信號變化(t)則：相位調(diào)制對相位調(diào)制來說，就是光波的相位c隨調(diào)制信號變化(t)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)一的形式上式按三角公式展開，并應(yīng)用得到由于調(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)一的形式單頻信號經(jīng)過調(diào)頻之后，其頻譜分量為無窮多個，即產(chǎn)生了新的頻率分量。每個頻率分量的大小不一。角度調(diào)制波的頻譜單頻信號經(jīng)過調(diào)頻之后，其頻譜分量為無窮多個，即產(chǎn)生了新的（a）ωm為常數(shù);（b）Δωm為常數(shù)單頻調(diào)制時FM波的振幅譜單頻調(diào)制時FM波的振幅譜調(diào)頻波與調(diào)相波的比較表調(diào)頻波與調(diào)相波的比較表（3）強度調(diào)制強度調(diào)制使光載波的強度(光強)隨調(diào)制信號規(guī)律變化。光束調(diào)制多采用強度調(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。光束強度定義為光波電場的平方單頻余弦波強度調(diào)制的光強可表示為（3）強度調(diào)制強度調(diào)制使光載波的強度(光強)隨調(diào)制信號規(guī)律變I(t)t調(diào)制信號載波圖3－2強度調(diào)制I(t)t調(diào)制信號載波圖3－2強度調(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（4）脈沖調(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。(a)調(diào)制信號(b)脈沖幅度調(diào)制(c)脈沖寬度調(diào)制(d抽樣：時間離散化量化：幅度離散化編碼：轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制碼（5）脈沖編碼調(diào)制(PCM)這種調(diào)制是把模擬信號先變成電脈沖序列，進(jìn)而把量化后的信號電平值轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制碼組，再對光載波進(jìn)行強度調(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：時間離散化（5）脈沖編碼調(diào)制(PCM)這種調(diào)制是把模擬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”。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。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，用有抽樣抽樣PCM信號形成過程示意圖PCM信號形成過程示意圖光發(fā)射機(jī)原理框圖電信號輸入光發(fā)射機(jī)光纖光纜調(diào)制光源光發(fā)射機(jī)原理框圖電信號輸入光發(fā)射機(jī)光纖光纜調(diào)二、光調(diào)制技術(shù)電光調(diào)制聲光調(diào)制磁光調(diào)制直接調(diào)制二、光調(diào)制技術(shù)電光調(diào)制1、電光調(diào)制技術(shù)利用電光效應(yīng)對光進(jìn)行強度調(diào)制和相位調(diào)制。

電光強度調(diào)制原理利用縱向電光效應(yīng)和橫向電光效應(yīng)均可實現(xiàn)對光強度的調(diào)制。電致雙折射（電光效應(yīng)）：某些晶體材料在外加電場作用下產(chǎn)生各向異性的折射率變化1、電光調(diào)制技術(shù)利用電光效應(yīng)對光進(jìn)行強度調(diào)制和相位調(diào)制。P1P2lKDP的縱向電光效應(yīng)P1P2lV不加電壓加電壓P1P2lKDP的縱向電光效應(yīng)P1P2lV不加電壓加電壓縱向電光強度調(diào)制原理縱向電光強度調(diào)制器的結(jié)構(gòu)如圖，其中起偏器P1的偏振方向平行于電光晶體的x軸，檢偏器P2的偏振方向平行于電光晶體的y軸。入射光P1IixyzxyP2Io調(diào)制光~VL起偏器檢偏器縱向電光強度調(diào)制原理入射光P1IixyzxyP2Ixyx’y’光進(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，分別為入射光P1IixyzxyP2Io調(diào)制光~VL起偏器檢偏器xyx’y’光進(jìn)入晶體后被分解為沿x和y方向的兩個分量，通過長度為L的晶體之后，兩個分量之間產(chǎn)生了一相位差，則有，通過檢偏器后的總電場強度是Ex’(L)和Ey’(L)在y方向的投影之和，即：相應(yīng)的輸出光強為入射光強度為：通過長度為L的晶體之后，兩個分量之間產(chǎn)生了一相位差為了獲得線性調(diào)制，可以通過引入一個固定的/2相位延遲或使調(diào)制器的電壓偏值在T=50%的工作點上。為了獲得線性調(diào)制，可以通過引入一個固定的/2相位延遲或使調(diào)可以通過引入固定的/2相位延遲的辦法有兩種：其一，在調(diào)制晶體上除了施加信號電壓之外，再附加一個的固定偏壓。其二，如下圖所示，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，從而使和兩個分量之間產(chǎn)生/2的固定相位差。入射光P1IixyzxyP2Io調(diào)制光~VL起偏器/4波片檢偏器可以通過引入固定的/2相位延遲的辦法有兩種：入射光P1Ii入射光P1IixyzxyP2Io調(diào)制光~VL起偏器/4波片檢偏器xyx’y’慢軸快軸xyyx/4波片入射光P1IixyzxyP2Io調(diào)制光~L起偏器/4波縱向電光調(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x’zz-x’Vy’光進(jìn)入晶體后，將分解為沿x’和z方向的振動縱向電光調(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KDP晶體的橫向電光效應(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。KDP晶體的橫向電光效應(yīng)使光波通過晶體后的相位延遲包括兩項：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)予以補償。常用的補償方法有兩種：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。這兩種方法的補償原理是相同的。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)予以補償。常x’zy’x’－zy’z－x’zx’e1o1o2e2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x和z軸分別與另一塊晶體的z和x平行.x’zy’x’－zy’z－x’zx’e1o1o2e2將兩塊尺y’-z－x’y’z－x’x’ze1o1zx’o2e2兩塊晶體的z軸互相反向平行排列，中間放置/2波片。經(jīng)過/2波片后，兩束光的偏振方向各旋轉(zhuǎn)90，經(jīng)過第二塊晶體后，原來的e1光變成了o2光、o1光變成e2光y’-z－x’y’z－x’x’ze1o1zx’o2e2兩塊晶通過兩塊晶體之后的總相位差為：光經(jīng)過第二塊晶體后，兩束光的相位差：這兩種方法的補償原理是相同的。當(dāng)光經(jīng)過第一塊晶體之后，兩束光的相位差：因此，若兩塊晶體的尺寸、性能完全相同，則自然雙折射的影響即可得到補償。通過兩塊晶體之后的總相位差為：光經(jīng)過第二塊晶體后，兩束光的電光相位調(diào)制起偏器的偏振方向平行于晶體的感應(yīng)主軸x’(或y’)，此時入射到晶體的線偏振光不再分解成兩個分量．而是沿著x’(或y’)軸一個方向偏振，故外電場不改變出射光的偏振狀態(tài)，僅改變其相位，相位的變化為xyx’y’電光相位調(diào)制起偏器的偏振方向平行于晶體的感應(yīng)主軸x’(或y2、聲光調(diào)制器的工作原理聲光調(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程。調(diào)制信號是以電信號(調(diào)輻)形式作用于電-聲換能器上而轉(zhuǎn)化為以電信號形式變化的超聲場，當(dāng)光波通過聲光介質(zhì)時，由于聲光作用，使光載波受到調(diào)制而成為“攜帶”信息的強度調(diào)制波。2、聲光調(diào)制器的工作原理聲光調(diào)制是利用聲光效應(yīng)將信息加載于光（1）聲光效應(yīng)聲波在介質(zhì)中傳播時，使介質(zhì)產(chǎn)生彈性形變，引起介質(zhì)的密度呈疏密相間的交替分布，因此，介質(zhì)的折射率也隨著發(fā)生相應(yīng)的周期性變化。這如同一個光學(xué)“相位光柵”，光柵常數(shù)等于聲波長s。當(dāng)光波通過此介質(zhì)時，會產(chǎn)生光的衍射。衍射光的強度、頻率、方向等都隨著超聲場的變化而變化。xn（1）聲光效應(yīng)聲波在介質(zhì)中傳播時，使介質(zhì)產(chǎn)生彈性形變，引起介產(chǎn)生布喇格衍射條件：聲波頻率較高，聲光作用長度L較大，光束與聲波波面間以一定的角度斜入射，介質(zhì)具有“體光柵”的性質(zhì)。布喇格衍射s入射光Iii一級衍射光I1i+s2聲波零級衍射光I0布喇格衍射的特點：衍射光各高級次衍射光將互相抵消，只出現(xiàn)0級和+1級（或1級）衍射光。L產(chǎn)生布喇格衍射條件：聲波頻率較高，聲光作用長度L較大，光在聲功率Ps(或聲強Is＝Ps/LH)較小的情況下，衍射效率s隨聲強度Is單調(diào)地增加(呈線性關(guān)系)：布喇格型聲光調(diào)制器工作原理調(diào)制信號衍射光入射光若對聲強加以調(diào)制，衍射光強也就受到了調(diào)制。布喇格衍射由于效率高，且調(diào)制帶寬較寬，故多被采用。在聲功率Ps(或聲強Is＝Ps/LH)較小的情況下，衍射效率布喇格聲光調(diào)制特性曲線與電光強度調(diào)制相似，如圖1所示。由圖可以看出：衍射效率s與超聲功率Ps是非線性調(diào)制曲線形式，為了使調(diào)制波不發(fā)生畸變，則需要加超聲偏置，使其工作在線性較好的區(qū)域。布喇格聲光調(diào)制特性曲線與電光強度調(diào)制相似，如圖1所示。由圖可聲光調(diào)制器的衍射效率聲光調(diào)制器的另一重要參量是衍射效率。要得到100％的調(diào)制所需要的聲強度為所需的聲功率

可見，聲光材料的品質(zhì)因數(shù)M2越大，欲獲得100%的衍射效率所需要的聲功率越小。而且電聲換能器的截面應(yīng)做得長（L大）而窄（H小）。聲光調(diào)制器的衍射效率聲光調(diào)制器的另一重要參量是衍射效率。要得3、磁光調(diào)制技術(shù)磁光調(diào)制主要是應(yīng)用法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，使一束線偏振光在外加磁場作用下的介質(zhì)中傳播時，其偏振方向發(fā)生旋轉(zhuǎn)。3、磁光調(diào)制技術(shù)某些物質(zhì)在磁場作用下，線偏振光通過時其振動面會發(fā)生旋轉(zhuǎn)，這種現(xiàn)象稱為法拉第效應(yīng)。光的電矢量E旋轉(zhuǎn)角與光在物質(zhì)中通過的距離l和磁場強度H成正比法拉第效應(yīng)E光傳播方向lH偏振面

V─費爾德常量，某些物質(zhì)在磁場作用下，線偏振光通過時其振動面會發(fā)生旋轉(zhuǎn)，這種磁光調(diào)制原理zzHdc45入射光起偏器調(diào)制信號檢偏器YIG(釔鐵石榴石)棒磁光調(diào)制原理zzHdc45入射光起偏器調(diào)制信號檢偏器YIG磁光調(diào)制原理zzHdc入射光起偏器調(diào)制信號檢偏器YIG(釔鐵石榴石)棒為了獲得線性調(diào)制，在垂直于光傳播的方向上加一恒定磁場Hdc，其強度足以使晶體飽和磁化。工作時，高頻信號電流通過線圈就會感生出平行于光傳播方向的磁場，入射光通過YIG晶體時，由于法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，其偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角正比于磁場強度H。磁光調(diào)制原理zzHdc入射光起偏器調(diào)制信號檢偏器YIG(釔鐵4、直接調(diào)制直接調(diào)制是把要傳遞的信息轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏餍盘栕⑷氚雽?dǎo)體光源（激光二極管LD或半導(dǎo)體發(fā)光二極管LED），從而獲得調(diào)制光信號。由于它是在光源內(nèi)部進(jìn)行的，因此又稱為內(nèi)調(diào)制。根據(jù)調(diào)制信號的類型，直接調(diào)制又可以分為模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制兩種。4、直接調(diào)制直接調(diào)制是把要傳遞的信息轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏餍盘栕⑷氚雽?dǎo)體1）P-I特性典型的半導(dǎo)體激光器如下圖所示(28頁圖2－6)閾值電流半導(dǎo)體激光器的主要特性1）P-I特性(28頁圖2－6)閾值電流半導(dǎo)體激光器的主要特2）調(diào)制特性根據(jù)P―I特性可以看出，改變半導(dǎo)體激光器的注入電流就可以改變其輸出光功率如下圖。數(shù)字調(diào)制模擬調(diào)制2）調(diào)制特性數(shù)字調(diào)制模擬調(diào)制半導(dǎo)體激光器調(diào)制原理圖所示的是半導(dǎo)體激光器調(diào)制原理以及輸出光功率與調(diào)制信號的關(guān)系曲線。為了獲得線性調(diào)制，使工作點處于輸出特性曲線的直線部分，必須在加調(diào)制信號電流的同時加一適當(dāng)?shù)钠秒娏鱅b，這樣就可以使輸出的光信號不失真。為了避免直流偏置源對調(diào)制信號源產(chǎn)生影響，可用電容和電感線圈把調(diào)制信號與直流偏置隔離。半導(dǎo)體激光器調(diào)制原理圖所示的是半導(dǎo)體激光器調(diào)制原理以及輸出光LDUb+EcIc已調(diào)光波(a)驅(qū)動電路PoutItIco(b)LD工作特性光強度調(diào)制的模擬信號驅(qū)動電路LDUb+EcIc已調(diào)光波(a)驅(qū)動電路PoutItIco數(shù)字調(diào)制是用二進(jìn)制數(shù)字信號“1”和“0”碼對光源發(fā)出的光波進(jìn)行調(diào)制。而數(shù)字信號大都采用脈沖編碼調(diào)制，即先將連續(xù)的模擬信號通過“抽樣”變成一組調(diào)幅的脈沖序列，再經(jīng)過“量化”和“編碼”過程，形成一組等幅度、等寬度的矩形脈沖作為“碼元”，結(jié)果將連續(xù)的模擬信號變成了脈沖編碼數(shù)字信號。然后，再用脈沖編碼數(shù)字信號對光源進(jìn)行強度調(diào)制，其調(diào)制特性曲線如圖8所示。數(shù)字調(diào)制數(shù)字調(diào)制是用二進(jìn)制數(shù)字信號“1”和“0”碼對光源發(fā)出的光波進(jìn)三、光束掃描技術(shù)1、機(jī)械掃描2、電光掃描3、聲光掃描三、光束掃描技術(shù)1、機(jī)械掃描機(jī)械掃描技術(shù)是目前最成熟的一種掃描方法。如果只需要改變光束的方向，既可采用機(jī)械掃描方法。機(jī)械掃描技術(shù)是利用反射鏡或棱鏡等光學(xué)元件的旋轉(zhuǎn)或振動實現(xiàn)光束掃描。1、機(jī)械掃描（光機(jī)掃描）機(jī)械掃描技術(shù)是目前最成熟的一種掃描方法。如果只需要改變光束的成像設(shè)備工作原理圖處理器觀察視場瞬時視場掃描機(jī)構(gòu)圖所示為一簡單的機(jī)械掃描成像設(shè)備原理裝置，入射光到一可轉(zhuǎn)動的平面反射鏡上，當(dāng)平面鏡轉(zhuǎn)動時，平面鏡反射的光束的方向就會發(fā)生改變，達(dá)到掃描成像的目的。1、機(jī)械掃描（光機(jī)掃描）

機(jī)械掃描成像成像設(shè)備工作原理圖處理器觀察視場瞬時視場掃描機(jī)構(gòu)圖所示為一簡二維掃描振鏡示意圖二維激光掃描激光器二維掃描振鏡示意圖二維激光掃描激光器水平掃描示意水平掃描示意水平掃描示意水平掃描示意水平掃描示意水平掃描示意水平掃描示意水平掃描示意垂直掃描示意垂直掃描示意垂直掃描示意垂直掃描示意垂直掃描示意垂直掃描示意垂直掃描示意垂直掃描示意1、什么是光調(diào)制？簡述主要的光調(diào)制技術(shù)及其基于的物理效應(yīng)。習(xí)題思考題2、如何利用電光效應(yīng)實現(xiàn)光強度的調(diào)制？1、什么是光調(diào)制？簡述主要的光調(diào)制技術(shù)及其基于的物理效應(yīng)。習(xí)第三章光束的調(diào)制和掃描

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、實現(xiàn)方法和特點及應(yīng)用；（2）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、特點和應(yīng)用。

重點：電光調(diào)制、聲光調(diào)制的原理第三章光束的調(diào)制和掃描基本要求第一講內(nèi)容二、光束調(diào)制技術(shù)1、電光調(diào)制原理2、聲光調(diào)制原理1、光調(diào)制概念2、光調(diào)制分類一、電光調(diào)制原理第一講內(nèi)容二、光束調(diào)制技術(shù)1、光調(diào)制概念一、電光調(diào)制原1、光調(diào)制概念2、光調(diào)制分類一、電光調(diào)制原理1、光調(diào)制概念一、電光調(diào)制原理1、光束調(diào)制的概念要用光作為信息的載體，就必須解決如何將信息加到光上去的問題，這種將信息加載于光的過程稱為光調(diào)制，完成這一過程的裝置稱為調(diào)制器。其中光稱為載波，起控制作用的低頻信息稱為調(diào)制信號。什么是光調(diào)制？1、光束調(diào)制的概念要用光作為信息的載體，就必須解決如何將信息式中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“運載”信息的目的。光波的電場為(3.1-1)如何調(diào)制光？式中Ac為振幅，c為角頻率，c為相位角。既然光束具有振幅用什么方法調(diào)制？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。用什么方法調(diào)制？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)按調(diào)制器的工作原理（基于的物理效應(yīng)）可以分為電光調(diào)制聲光調(diào)制磁光調(diào)制直接調(diào)制按所調(diào)制的參量可分為：振幅調(diào)制頻率調(diào)制相位調(diào)制強度調(diào)制2、光調(diào)制分類按調(diào)制器的工作原理（基于的物理效應(yīng)）可以分為電光調(diào)制按振幅調(diào)制就是使載波的振幅隨調(diào)制信號的規(guī)律而變化的調(diào)制，簡稱調(diào)幅。（1）振幅調(diào)制若調(diào)制信號是一時間的余弦函數(shù)，即調(diào)幅波的表達(dá)式為光波的電場為振幅調(diào)制就是使載波的振幅隨調(diào)制信號的規(guī)律而變化的調(diào)制，簡稱調(diào)光波的電場調(diào)制信號調(diào)幅波光波的電場調(diào)制信號調(diào)幅波－調(diào)幅系數(shù)－調(diào)幅系數(shù)2mc-m

c

c+m

AcmaAc/2maAc/2圖1調(diào)幅波頻譜2mc-mcc+（2）頻率調(diào)制或相位調(diào)制調(diào)頻或調(diào)相就是使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。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。光波的電場為對頻率調(diào)制來說，就是光波的角頻率c隨調(diào)制信號變化(t)（2）頻率調(diào)制或相位調(diào)制調(diào)頻或調(diào)相就是使光載波的頻率或相位隨若調(diào)制信號為余弦函數(shù)，即－－調(diào)頻系數(shù)單頻調(diào)頻(t)調(diào)頻信號的瞬時相位(t)是瞬時角頻率ω(t)對時間的積分,即若調(diào)制信號為余弦函數(shù)，即－－調(diào)頻系數(shù)單頻調(diào)頻(t)調(diào)頻信對相位調(diào)制來說，就是光波的相位c

隨調(diào)制信號變化(t)則：相位調(diào)制對相位調(diào)制來說，就是光波的相位c隨調(diào)制信號變化(t)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)一的形式上式按三角公式展開，并應(yīng)用得到由于調(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)一的形式單頻信號經(jīng)過調(diào)頻之后，其頻譜分量為無窮多個，即產(chǎn)生了新的頻率分量。每個頻率分量的大小不一。角度調(diào)制波的頻譜單頻信號經(jīng)過調(diào)頻之后，其頻譜分量為無窮多個，即產(chǎn)生了新的（a）ωm為常數(shù);（b）Δωm為常數(shù)單頻調(diào)制時FM波的振幅譜單頻調(diào)制時FM波的振幅譜調(diào)頻波與調(diào)相波的比較表調(diào)頻波與調(diào)相波的比較表（3）強度調(diào)制強度調(diào)制使光載波的強度(光強)隨調(diào)制信號規(guī)律變化。光束調(diào)制多采用強度調(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。光束強度定義為光波電場的平方單頻余弦波強度調(diào)制的光強可表示為（3）強度調(diào)制強度調(diào)制使光載波的強度(光強)隨調(diào)制信號規(guī)律變I(t)t調(diào)制信號載波圖3－2強度調(diào)制I(t)t調(diào)制信號載波圖3－2強度調(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（4）脈沖調(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。(a)調(diào)制信號(b)脈沖幅度調(diào)制(c)脈沖寬度調(diào)制(d抽樣：時間離散化量化：幅度離散化編碼：轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制碼（5）脈沖編碼調(diào)制(PCM)這種調(diào)制是把模擬信號先變成電脈沖序列，進(jìn)而把量化后的信號電平值轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制碼組，再對光載波進(jìn)行強度調(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：時間離散化（5）脈沖編碼調(diào)制(PCM)這種調(diào)制是把模擬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”。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。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，用有抽樣抽樣PCM信號形成過程示意圖PCM信號形成過程示意圖光發(fā)射機(jī)原理框圖電信號輸入光發(fā)射機(jī)光纖光纜調(diào)制光源光發(fā)射機(jī)原理框圖電信號輸入光發(fā)射機(jī)光纖光纜調(diào)二、光調(diào)制技術(shù)電光調(diào)制聲光調(diào)制磁光調(diào)制直接調(diào)制二、光調(diào)制技術(shù)電光調(diào)制1、電光調(diào)制技術(shù)利用電光效應(yīng)對光進(jìn)行強度調(diào)制和相位調(diào)制。

電光強度調(diào)制原理利用縱向電光效應(yīng)和橫向電光效應(yīng)均可實現(xiàn)對光強度的調(diào)制。電致雙折射（電光效應(yīng)）：某些晶體材料在外加電場作用下產(chǎn)生各向異性的折射率變化1、電光調(diào)制技術(shù)利用電光效應(yīng)對光進(jìn)行強度調(diào)制和相位調(diào)制。P1P2lKDP的縱向電光效應(yīng)P1P2lV不加電壓加電壓P1P2lKDP的縱向電光效應(yīng)P1P2lV不加電壓加電壓縱向電光強度調(diào)制原理縱向電光強度調(diào)制器的結(jié)構(gòu)如圖，其中起偏器P1的偏振方向平行于電光晶體的x軸，檢偏器P2的偏振方向平行于電光晶體的y軸。入射光P1IixyzxyP2Io調(diào)制光~VL起偏器檢偏器縱向電光強度調(diào)制原理入射光P1IixyzxyP2Ixyx’y’光進(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，分別為入射光P1IixyzxyP2Io調(diào)制光~VL起偏器檢偏器xyx’y’光進(jìn)入晶體后被分解為沿x和y方向的兩個分量，通過長度為L的晶體之后，兩個分量之間產(chǎn)生了一相位差，則有，通過檢偏器后的總電場強度是Ex’(L)和Ey’(L)在y方向的投影之和，即：相應(yīng)的輸出光強為入射光強度為：通過長度為L的晶體之后，兩個分量之間產(chǎn)生了一相位差為了獲得線性調(diào)制，可以通過引入一個固定的/2相位延遲或使調(diào)制器的電壓偏值在T=50%的工作點上。為了獲得線性調(diào)制，可以通過引入一個固定的/2相位延遲或使調(diào)可以通過引入固定的/2相位延遲的辦法有兩種：其一，在調(diào)制晶體上除了施加信號電壓之外，再附加一個的固定偏壓。其二，如下圖所示，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，從而使和兩個分量之間產(chǎn)生/2的固定相位差。入射光P1IixyzxyP2Io調(diào)制光~VL起偏器/4波片檢偏器可以通過引入固定的/2相位延遲的辦法有兩種：入射光P1Ii入射光P1IixyzxyP2Io調(diào)制光~VL起偏器/4波片檢偏器xyx’y’慢軸快軸xyyx/4波片入射光P1IixyzxyP2Io調(diào)制光~L起偏器/4波縱向電光調(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x’zz-x’Vy’光進(jìn)入晶體后，將分解為沿x’和z方向的振動縱向電光調(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KDP晶體的橫向電光效應(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。KDP晶體的橫向電光效應(yīng)使光波通過晶體后的相位延遲包括兩項：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)予以補償。常用的補償方法有兩種：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。這兩種方法的補償原理是相同的。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)予以補償。常x’zy’x’－zy’z－x’zx’e1o1o2e2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x和z軸分別與另一塊晶體的z和x平行.x’zy’x’－zy’z－x’zx’e1o1o2e2將兩塊尺y’-z－x’y’z－x’x’ze1o1zx’o2e2兩塊晶體的z軸互相反向平行排列，中間放置/2波片。經(jīng)過/2波片后，兩束光的偏振方向各旋轉(zhuǎn)90，經(jīng)過第二塊晶體后，原來的e1光變成了o2光、o1光變成e2光y’-z－x’y’z－x’x’ze1o1zx’o2e2兩塊晶通過兩塊晶體之后的總相位差為：光經(jīng)過第二塊晶體后，兩束光的相位差：這兩種方法的補償原理是相同的。當(dāng)光經(jīng)過第一塊晶體之后，兩束光的相位差：因此，若兩塊晶體的尺寸、性能完全相同，則自然雙折射的影響即可得到補償。通過兩塊晶體之后的總相位差為：光經(jīng)過第二塊晶體后，兩束光的電光相位調(diào)制起偏器的偏振方向平行于晶體的感應(yīng)主軸x’(或y’)，此時入射到晶體的線偏振光不再分解成兩個分量．而是沿著x’(或y’)軸一個方向偏振，故外電場不改變出射光的偏振狀態(tài)，僅改變其相位，相位的變化為xyx’y’電光相位調(diào)制起偏器的偏振方向平行于晶體的感應(yīng)主軸x’(或y2、聲光調(diào)制器的工作原理聲光調(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程。調(diào)制信號是以電信號(調(diào)輻)形式作用于電-聲換能器上而轉(zhuǎn)化為以電信號形式變化的超聲場，當(dāng)光波通過聲光介質(zhì)時，由于聲光作用，使光載波受到調(diào)制而成為“攜帶”信息的強度調(diào)制波。2、聲光調(diào)制器的工作原理聲光調(diào)制是利用聲光效應(yīng)將信息加載于光（1）聲光效應(yīng)聲波在介質(zhì)中傳播時，使介質(zhì)產(chǎn)生彈性形變，引起介質(zhì)的密度呈疏密相間的交替分布，因此，介質(zhì)的折射率也隨著發(fā)生相應(yīng)的周期性變化。這如同一個光學(xué)“相位光柵”，光柵常數(shù)等于聲波長s。當(dāng)光波通過此介質(zhì)時，會產(chǎn)生光的衍射。衍射光的強度、頻率、方向等都隨著超聲場的變化而變化。xn（1）聲光效應(yīng)聲波在介質(zhì)中傳播時，使介質(zhì)產(chǎn)生彈性形變，引起介產(chǎn)生布喇格衍射條件：聲波頻率較高，聲光作用長度L較大，光束與聲波波面間以一定的角度斜入射，介質(zhì)具有“體光柵”的性質(zhì)。布喇格衍射s入射光Iii一級衍射光I1i+s2聲波零級衍射光I0布喇格衍射的特點：衍射光各高級次衍射光將互相抵消，只出現(xiàn)0級和+1級（或1級）衍射光。L產(chǎn)生布喇格衍射條件：聲波頻率較高，聲光作用長度L較大，光在聲功率Ps(或聲強Is＝Ps/LH)較小的情況下，衍射效率s隨聲強度Is單調(diào)地增加(呈線性關(guān)系)：布喇格型聲光調(diào)制器工作原理調(diào)制信號衍射光入射光若對聲強加以調(diào)制，衍射光強也就受到了調(diào)制。布喇格衍射由于效率高，且調(diào)制帶寬較寬，故多被采用。在聲功率Ps(或聲強Is＝Ps/LH)較小的情況下，衍射效率布喇格聲光調(diào)制特性曲線與電光強度調(diào)制相似，如圖1所示。由圖可以看出：衍射效率s與超聲功率Ps是非線性調(diào)制曲線形式，為了使調(diào)制波不發(fā)生畸變，則需要加超聲偏置，使其工作在線性較好的區(qū)域。布喇格聲光調(diào)制特性曲線與電光強度調(diào)制相似，如圖1所示。由圖可聲光調(diào)制器的衍射效率聲光調(diào)制器的另一重要參量是衍射效率。要得到100％的調(diào)制所需要的聲強度為所需的聲功率

可見，聲光材料的品質(zhì)因數(shù)M2越大，欲獲得100%的衍射效率所需要的聲功率越小。而且電聲換能器的截面應(yīng)做得長（L大）而窄（H小）。聲光調(diào)制器的衍射效率聲光調(diào)制器的另一重要參量是衍射效率。要得3、磁光調(diào)制技術(shù)磁光調(diào)制主要是應(yīng)用法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，使一束線偏振光在外加磁場作用下的介質(zhì)中傳播時，其偏振方向發(fā)生旋轉(zhuǎn)。3、磁光調(diào)制技術(shù)某些物質(zhì)在磁場作用下，線偏振光通過時其振動面會發(fā)生旋轉(zhuǎn)，這種現(xiàn)象稱為法拉第效應(yīng)。光的電矢量E旋轉(zhuǎn)角與光在物質(zhì)中通過的距離l和磁場強度H成正比法拉第效應(yīng)E光傳播方向lH偏振面

V─費爾德常量，某些物質(zhì)在磁場作用下，線偏振光通過時其振動面會發(fā)生旋轉(zhuǎn)，這種磁光調(diào)制原理zzHdc45入射光起偏器調(diào)制信號檢偏器YIG(釔鐵石榴石)棒磁光調(diào)制原理zzHdc45入射光起偏器調(diào)