第3章光束的調(diào)制與掃描-1

第3章光束的調(diào)制與掃描3.1光束調(diào)制原理3.2電光調(diào)制3.3聲光調(diào)制3.4磁光調(diào)制3.5直接調(diào)制3.6光束掃描技術(shù)3.7空間光調(diào)制器第3章光束的調(diào)制與掃描3.1光束調(diào)制原理激光的優(yōu)點激光經(jīng)常作為光信息傳遞的光源，因為它除了方向性好、單色性高、亮度高、相干性高外，還有與無線電波相似的特點——易于調(diào)制；另外，激光作為信息的載波有易于保密、能遠距離傳輸且傳遞信息的容量大等優(yōu)點。調(diào)制調(diào)制實際上是改變載波的振幅、強度、相位或脈沖信號特性的過程，以達到傳遞信息的目的。調(diào)制器載波調(diào)制信號(一般為低頻信號)調(diào)制光波(已調(diào)波)內(nèi)調(diào)制(直接調(diào)制)、外調(diào)制(間接調(diào)制)第3章光束的調(diào)制與掃描3.1光束調(diào)制原理內(nèi)調(diào)制(直接調(diào)制)、外調(diào)制(間接調(diào)制)內(nèi)調(diào)制：加載調(diào)制信號是在激光振蕩過程中進行的，也就是用調(diào)制信號去改變激光振蕩器的參數(shù)，以達到改變激光輸出特性而實現(xiàn)調(diào)制。實現(xiàn)內(nèi)調(diào)制的方法：一、通過直接控制激光器泵浦電源(如用調(diào)制信號控制通過激光器的電流大小)，調(diào)制輸出激光強度，使輸出激光的強弱或有無受電源控制，從而使激光器輸出功率被信號調(diào)制。二、將調(diào)制元件放入激光諧振腔內(nèi)，用調(diào)制信號控制調(diào)制元件物理特性的變化，改變諧振腔的參數(shù)，以實現(xiàn)改變激光輸出特性而達到調(diào)制的目的。兩種方法中前者比較簡單，但主要應(yīng)用于半導(dǎo)體激光器的調(diào)制。外調(diào)制：它是把調(diào)制器放在激光器諧振腔外的光路上，將調(diào)制信號以電壓形式加于調(diào)制器，使其某些物理特性發(fā)生相應(yīng)的變化，這時通過調(diào)制器的激光就得到了調(diào)制。顯然，外調(diào)制是在激光已經(jīng)輸出后加載調(diào)制信號，它不改變激光器的參數(shù)，而直接改變通過調(diào)制器后輸出激光的強度、頻率及相位等參數(shù)．外調(diào)制的一個很大優(yōu)點是無干擾。第3章光束的調(diào)制與掃描3.1光束調(diào)制原理光波的電場強度：激光調(diào)制按被控制的參數(shù)不同分為調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相、強度調(diào)制、偏振調(diào)制及脈沖調(diào)制等形式。第3章光束的調(diào)制與掃描3.1光束調(diào)制原理1.振幅調(diào)制使載波的振幅隨調(diào)制信號的規(guī)律而變化的過程叫振幅調(diào)制，簡稱調(diào)幅。假設(shè)調(diào)制信號為正弦波，即載波信號為則調(diào)幅波的表達式為：為調(diào)幅系數(shù)第3章光束的調(diào)制與掃描3.1光束調(diào)制原理1.振幅調(diào)制使載波的振幅隨調(diào)制信號的規(guī)律而變化的過程叫振幅調(diào)制，簡稱調(diào)幅。假設(shè)調(diào)制信號為正弦波，即載波信號為則調(diào)幅波的表達式為：為調(diào)幅系數(shù)第3章光束的調(diào)制與掃描3.1光束調(diào)制原理1.振幅調(diào)制使載波的振幅隨調(diào)制信號的規(guī)律而變化的過程叫振幅調(diào)制，簡稱調(diào)幅。假設(shè)調(diào)制信號為正弦波，即載波信號為則調(diào)幅波的表達式為：為調(diào)幅系數(shù)調(diào)幅波已不再是原來簡單的正弦波，而是有三個頻率成分組成：載頻分量，因調(diào)制產(chǎn)生的新分量——邊頻分量。如果調(diào)制信號是一個復(fù)雜的周期信號，則調(diào)幅波將由載波分量和對稱的兩個包含若干邊頻分量的邊頻帶組成。第3章光束的調(diào)制與掃描3.1光束調(diào)制原理2.頻率調(diào)制和相位調(diào)制載波信號的頻率或相位隨調(diào)制信號的規(guī)律而變化。也叫角度調(diào)制。頻率調(diào)制為調(diào)頻系數(shù)由并令得調(diào)頻波的表達式為即振幅和初位相保持不變，只是角頻率有一調(diào)制增量。即頻率調(diào)制最終是調(diào)制總相角。第3章光束的調(diào)制與掃描3.1光束調(diào)制原理2.頻率調(diào)制和相位調(diào)制載波信號的頻率或相位隨調(diào)制信號的規(guī)律而變化。也叫角度調(diào)制。頻率調(diào)制為調(diào)頻系數(shù)由并令得調(diào)頻波的表達式為即振幅和初位相保持不變，只是角頻率有一調(diào)制增量。即頻率調(diào)制最終是調(diào)制總相角。第3章光束的調(diào)制與掃描3.1光束調(diào)制原理2.頻率調(diào)制和相位調(diào)制載波信號的頻率或相位隨調(diào)制信號的規(guī)律而變化。也叫角度調(diào)制。頻率調(diào)制為調(diào)頻系數(shù)由并令得調(diào)頻波的表達式為即振幅和初位相保持不變，只是角頻率有一調(diào)制增量。即頻率調(diào)制最終是調(diào)制總相角。頻率調(diào)制波的頻譜是由光載波與兩邊的無窮多對邊譜組成，并受與調(diào)制函數(shù)相關(guān)的貝塞爾函數(shù)調(diào)制。第3章光束的調(diào)制與掃描3.1光束調(diào)制原理2.頻率調(diào)制和相位調(diào)制載波信號的頻率或相位隨調(diào)制信號的規(guī)律而變化。也叫角度調(diào)制。相位調(diào)制為調(diào)相系數(shù)由并令得調(diào)相波的表達式為即振幅和角頻率保持不變，只是初位相有一調(diào)制增量。上式與調(diào)頻波的表達式完全一樣。說明：調(diào)頻信號或調(diào)相信號若直接用光電器件接受，則輸出的信號將只有強度(振幅)信息而不包含任何頻率或相位信息。因此在到達光電接收器件之前必須先將頻率信息轉(zhuǎn)化為強度信息，才能將信息提取出來。仍設(shè)調(diào)制信號是單頻余弦波，則第3章光束的調(diào)制與掃描3.1光束調(diào)制原理3.強度調(diào)制載波信號的強度(光強)隨調(diào)制信號的規(guī)律而變化。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)其所接收的光強變化。光束強度定義為光波電場的平方強度調(diào)制的光強可表示為光強比例系數(shù)強度調(diào)制波的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。第3章光束的調(diào)制與掃描3.1光束調(diào)制原理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。

第3章光束的調(diào)制與掃描3.1光束調(diào)制原理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。調(diào)制方法：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。然后再用這一已調(diào)電脈沖序列對光載波進行強度調(diào)制，就可以得到相應(yīng)變化的光脈沖序列。

第3章光束的調(diào)制與掃描3.1光束調(diào)制原理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。調(diào)制方法：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。然后再用這一已調(diào)電脈沖序列對光載波進行強度調(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。第3章光束的調(diào)制與掃描3.1光束調(diào)制原理5.脈沖編碼調(diào)制把模擬信號先變成電脈沖序列，進而變成代表信號信息的二進制編碼，再對光載波進行強度調(diào)制。

第3章光束的調(diào)制與掃描3.1光束調(diào)制原理5.脈沖編碼調(diào)制把模擬信號先變成電脈沖序列，進而變成代表信號信息的二進制編碼，再對光載波進行強度調(diào)制。實現(xiàn)脈沖編碼調(diào)制要進行三個過程：抽樣、量化和編碼。

第3章光束的調(diào)制與掃描3.1光束調(diào)制原理5.脈沖編碼調(diào)制把模擬信號先變成電脈沖序列，進而變成代表信號信息的二進制編碼，再對光載波進行強度調(diào)制。實現(xiàn)脈沖編碼調(diào)制要進行三個過程：抽樣、量化和編碼。

①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。第3章光束的調(diào)制與掃描3.1光束調(diào)制原理5.脈沖編碼調(diào)制把模擬信號先變成電脈沖序列，進而變成代表信號信息的二進制編碼，再對光載波進行強度調(diào)制。實現(xiàn)脈沖編碼調(diào)制要進行三個過程：抽樣、量化和編碼。

②量化。量化就是把抽樣后的脈幅調(diào)制波進行分級取“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。第3章光束的調(diào)制與掃描3.1光束調(diào)制原理5.脈沖編碼調(diào)制把模擬信號先變成電脈沖序列，進而變成代表信號信息的二進制編碼，再對光載波進行強度調(diào)制。實現(xiàn)脈沖編碼調(diào)制要進行三個過程：抽樣、量化和編碼。

③編碼。編碼是把量化后的數(shù)字信號變換成相應(yīng)的二進制碼的過程。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制編碼的“l(fā)”，零值代表“0”。第3章光束的調(diào)制與掃描3.1光束調(diào)制原理5.脈沖編碼調(diào)制盡管光束調(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，下面分別討論電光調(diào)制、聲光調(diào)制、磁光調(diào)制和直接調(diào)制的原理和方法。1.振幅調(diào)制2.頻率調(diào)制和相位調(diào)制3.強度調(diào)制4.脈沖調(diào)制第3章光束的調(diào)制與掃描3.2電光調(diào)制根據(jù)光波在電光晶體中傳播特性實現(xiàn)光束調(diào)制的。利用電光效應(yīng)可實現(xiàn)強度調(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)。第3章光束的調(diào)制與掃描3.2電光調(diào)制

3.2.1電光強度調(diào)制當(dāng)電場加在晶體上時，其折射率變化可產(chǎn)生線性電光效應(yīng)。加電場的方向通常有兩種方式：縱向電光效應(yīng)；橫向電光效應(yīng)。利用縱向電光效應(yīng)和橫向電光效應(yīng)均可實現(xiàn)電光強度調(diào)制3.2電光調(diào)制3.2.1電光強度調(diào)制1.縱向電光調(diào)制器及其工作原理縱向電光強度調(diào)制器的結(jié)構(gòu)：電光晶體（KDP）置于兩正交的偏振器之間，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，在晶體和P2之間插入/4波片。1.縱向電光調(diào)制器及其工作原理1.縱向電光調(diào)制器及其工作原理通過檢偏器后的光振幅及光強為：1.縱向電光調(diào)制器及其工作原理通過檢偏器后的光振幅及光強為：透過率：1.縱向電光調(diào)制器及其工作原理通過檢偏器后的光振幅及光強為：透過率：1.縱向電光調(diào)制器及其工作原理通過檢偏器后的光振幅及光強為：透過率：1.縱向電光調(diào)制器及其工作原理電光調(diào)制特性曲線的特點：非線性通過檢偏器后的光振幅及光強為：透過率：1.縱向電光調(diào)制器及其工作原理電光調(diào)制特性曲線的特點：非線性解決方法：一、附加固定偏壓；通過檢偏器后的光振幅及光強為：透過率：1.縱向電光調(diào)制器及其工作原理電光調(diào)制特性曲線的特點：非線性解決方法：一、附加固定偏壓；二、加四分之一波片通過檢偏器后的光振幅及光強為：透過率：1.縱向電光調(diào)制器及其工作原理電光調(diào)制特性曲線的特點：非線性解決方法：一、附加固定偏壓；二、加四分之一波片因此調(diào)制的透過率可表示為利用貝塞爾函數(shù)展開由此可見，高次諧波與基頻波成分的比值為若?。?rad，則J1(1)=0.44,J3(1)=0.02,I3/I1=0.045。在這個范圍內(nèi)可以獲得近似線性調(diào)制，因而取作為線性調(diào)制的判據(jù)。此時

代入上式得透過率：1.縱向電光調(diào)制器及其工作原理縱向電光調(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。3.2電光調(diào)制3.2.1電光強度調(diào)制2.橫向電光調(diào)制③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45-y切割）。-xy橫向電光效應(yīng)的運用可以分為三種不同形式：①沿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）。②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）。3.2電光調(diào)制3.2.1電光強度調(diào)制2.橫向電光調(diào)制-xy光波穿過晶體后將產(chǎn)生相位差：第二項：是外電場作用產(chǎn)生的相位延遲，它與外加電壓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。第一項：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，對調(diào)制器的工作沒有貢獻，而且當(dāng)晶體溫度變化而引起折射率no和ne變化時，兩光波的相位差發(fā)生漂移。3.2電光調(diào)制3.2.1電光強度調(diào)制2.橫向電光調(diào)制-xy光波穿過晶體后將產(chǎn)生相位差：第二項：是外電場作用產(chǎn)生的相位延遲，它與外加電壓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。實驗表明：KDP晶體的折射率差隨溫度的變化率為。如設(shè)L＝30mm，通過波長=6328um的光，若T=1℃，引起的附加相位差為：第一項：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，對調(diào)制器的工作沒有貢獻，而且當(dāng)晶體溫度變化而引起折射率no和ne變化時，兩光波的相位差發(fā)生漂移。3.2電光調(diào)制3.2.1電光強度調(diào)制2.橫向電光調(diào)制光波穿過晶體后將產(chǎn)生相位差：解決溫漂的方法方法一：采用no和ne的晶體較為理想。如CuCI，ZnTe等，沒有雙折射的影響，其電光系數(shù)又較大，因此適合作橫向電光調(diào)制晶體。-xy3.2電光調(diào)制3.2.1電光強度調(diào)制2.橫向電光調(diào)制光波穿過晶體后將產(chǎn)生相位差：解決溫漂的方法方法二：采用“組合調(diào)制器”進行補償。如圖由兩塊性能和大小部完全相同的KDP晶體和一個半波片組成。兩塊KDP晶體K1和K2的光軸方向相反，在Kl和K2之間插入一塊半波片，外加電場沿z軸方向，通光方向與z軸垂直，并與y軸成45夾角。-xyx’y’y’x’3.2電光調(diào)制3.2.1電光強度調(diào)制2.橫向電光調(diào)制光波穿過晶體后將產(chǎn)生相位差：解決溫漂的方法方法二：采用“組合調(diào)制器”進行補償。如圖由兩塊性能和大小部完全相同的KDP晶體和一個半波片組成。兩塊KDP晶體K1和K2的光軸方向相反，在Kl和K2之間插入一塊半波片，外加電場沿z軸方向，通光方向與z軸垂直，并與y軸成45夾角。-xy光束的兩個分量經(jīng)過第一塊晶體之后的相位差：x’y’y’x’3.2電光調(diào)制3.2.1電光強度調(diào)制2.橫向電光調(diào)制光波穿過晶體后將產(chǎn)生相位差：解決溫漂的方法方法二：采用“組合調(diào)制器”進行補償。如圖由兩塊性能和大小部完全相同的KDP晶體和一個半波片組成。兩塊KDP晶體K1和K2的光軸方向相反，在Kl和K2之間插入一塊半波片，外加電場沿z軸方向，通光方向與z軸垂直，并與y軸成45夾角。光束的兩個分量經(jīng)過第一塊晶體之后的相位差：光束的兩個分量經(jīng)過半波片；③電場V=V2n+，=(2n+1)，則橢圓偏振光為：3.2電光調(diào)制3.2.1電光強度調(diào)制2.橫向電光調(diào)制光波穿過晶體后將產(chǎn)生相位差：解決溫漂的方法方法二：采用“組合調(diào)制器”進行補償。如圖由兩塊性能和大小部完全相同的KDP晶體和一個半波片組成。兩塊KDP晶體K1和K2的光軸方向相反，在Kl和K2之間插入一塊半波片，外加電場沿z軸方向，通光方向與z軸垂直，并與y軸成45夾角。xy光束的兩個分量經(jīng)過第一塊晶體之后的相位差：x’y’y’x’光束的兩個分量經(jīng)過半波片；3.2電光調(diào)制3.2.1電光強度調(diào)制2.橫向電光調(diào)制光波穿過晶體后將產(chǎn)生相位差：解決溫漂的方法方法二：采用“組合調(diào)制器”進行補償。如圖由兩塊性能和大小部完全相同的KDP晶體和一個半波片組成。兩塊KDP晶體K1和K2的光軸方向相反，在Kl和K2之間插入一塊半波片，外加電場沿z軸方向，通光方向與z軸垂直，并與y軸成45夾角。xy光束的兩個分量經(jīng)過第一塊晶體之后的相位差：x’y’y’x’光束的兩個分量經(jīng)過半波片；光束的兩個分量經(jīng)過第二塊晶體之后的相位差：3.2電光調(diào)制3.2.1電光強度調(diào)制2.橫向電光調(diào)制光波穿過晶體后將產(chǎn)生相位差：解決溫漂的方法方法二：采用“組合調(diào)制器”進行補償。如圖由兩塊性能和大小部完全相同的KDP晶體和一個半波片組成。兩塊KDP晶體K1和K2的光軸方向相反，在Kl和K2之間插入一塊半波片，外加電場沿z軸方向，通光方向與z軸垂直，并與y軸成45夾角。xy光束的兩個分量經(jīng)過第一塊晶體之后的相位差：x’y’y’x’光束的兩個分量經(jīng)過半波片；光束的兩個分量經(jīng)過第二塊晶體之后的相位差：光束的兩個分量經(jīng)過兩塊晶體之后的總相位差：3.2電光調(diào)制3.2.2電光相位調(diào)制3.2電光調(diào)制3.2.2電光相位調(diào)制相位調(diào)制3.2電光調(diào)制3.2.2電光相位調(diào)制相位調(diào)制電光相位調(diào)制原理相位變化：外加電場：入射光場：出射光場：相位調(diào)制系數(shù)折射率：3.2電光調(diào)制3.2.3電光調(diào)制器的電學(xué)性能3.2電光調(diào)制3.2.3電光調(diào)制器的電學(xué)性能電光調(diào)制器中的性能要求前面對電光調(diào)制的分析，均認(rèn)為調(diào)制信號頻率遠遠低于光波頻率（也就是調(diào)制信號波長m>>）．并且m遠大于晶體的長度L，因而在光波通過晶體L的渡越時間（d＝nL/c）內(nèi)，調(diào)制信號電場在晶體各處的分布是均勻的，則光波在各部位所獲得的相位延遲也都相同，即光波在任一時刻不會受到不同強度或反向調(diào)制電場的作用。對電光調(diào)制器來說，總是希望獲得高的調(diào)制效率及滿足要求的調(diào)制帶寬。3.2電光調(diào)制3.2.3電光調(diào)制器的電學(xué)性能電光調(diào)制中電極的加載方式裝有電極的調(diào)制晶體可以等效為一個電容，即可以看成是電路中的一個集總元件，通常稱為集總參量調(diào)制器。其頻率特性受外圍電路參數(shù)的影響。

1．外電路對調(diào)制帶寬的限制3.2電光調(diào)制3.2.3電光調(diào)制器的電學(xué)性能

1．外電路對調(diào)制帶寬的限制限制調(diào)制帶寬的主要因素：外電路參數(shù)；電光調(diào)制器的等效電路；3.2電光調(diào)制3.2.3電光調(diào)制器的電學(xué)性能

1．外電路對調(diào)制帶寬的限制限制調(diào)制帶寬的主要因素：外電路參數(shù)；電光調(diào)制器的等效電路；作用到晶體上的實際電壓：3.2電光調(diào)制3.2.3電光調(diào)制器的電學(xué)性能

1．外電路對調(diào)制帶寬的限制限制調(diào)制帶寬的主要因素：外電路參數(shù)；電光調(diào)制器的等效電路；作用到晶體上的實際電壓：當(dāng)調(diào)制頻率增高時，調(diào)制晶體的交流阻抗變小，大部分調(diào)制電壓就降在Rs上，即調(diào)制電源與晶體負載電路之間阻抗不匹配，調(diào)制效率就要大大降低，甚至不能工作。3.2電光調(diào)制3.2.3電光調(diào)制器的電學(xué)性能

1．外電路對調(diào)制帶寬的限制實現(xiàn)阻抗匹配的方法作用到晶體上的實際電壓：3.2電光調(diào)制3.2.3電光調(diào)制器的電學(xué)性能

1．外電路對調(diào)制帶寬的限制實現(xiàn)阻抗匹配的方法作用到晶體上的實際電壓：3.2電光調(diào)制3.2.3電光調(diào)制器的電學(xué)性能

1．外電路對調(diào)制帶寬的限制實現(xiàn)阻抗匹配的方法作用到晶體上的實際電壓：電感量L的選擇由工作頻率決定：3.2電光調(diào)制3.2.3電光調(diào)制器的電學(xué)性能

1．外電路對調(diào)制帶寬的限制實現(xiàn)阻抗匹配的方法作用到晶體上的實際電壓：電感量L的選擇由工作頻率決定：即電感量L的選擇要滿足上式，此時該頻率為電路的諧振頻率，當(dāng)工作頻率(調(diào)制信號的頻率)等于諧振頻率時，阻抗由此可實現(xiàn)阻抗匹配，從而提高調(diào)制效率。3.2電光調(diào)制3.2.3電光調(diào)制器的電學(xué)性能

1．外電路對調(diào)制帶寬的限制諧振回路的帶寬并聯(lián)諧振回路阻抗上式阻抗只在頻率間隔范圍內(nèi)才比較高；調(diào)制帶寬：調(diào)制帶寬與負載電阻的關(guān)系；3.2電光調(diào)制3.2.3電光調(diào)制器的電學(xué)性能

1．外電路對調(diào)制帶寬的限制調(diào)制功率與調(diào)制帶寬的關(guān)系3.2電光調(diào)制3.2.3電光調(diào)制器的電學(xué)性能

1．外電路對調(diào)制帶寬的限制調(diào)制功率與調(diào)制帶寬的關(guān)系光電調(diào)制中的要求一定的峰值相位延遲透過率：3.2電光調(diào)制3.2.3電光調(diào)制器的電學(xué)性能

1．外電路對調(diào)制帶寬的限制調(diào)制功率與調(diào)制帶寬的關(guān)系光電調(diào)制中的要求一定的峰值相位延遲相應(yīng)的驅(qū)動峰值調(diào)制電壓最大的相位延遲所需要的驅(qū)動功率綜上所述：當(dāng)調(diào)制晶體的種類、尺寸、激光波長和所要求的相位延遲確定之后，其調(diào)制功率與調(diào)制帶寬成正比關(guān)系。調(diào)制帶寬3.2電光調(diào)制3.2.3電光調(diào)制器的電學(xué)性能2．高頻調(diào)制時渡越時間的影響3.2電光調(diào)制3.2.3電光調(diào)制器的電學(xué)性能2．高頻調(diào)制時渡越時間的影響

當(dāng)調(diào)制頻率極高時，在光波通過晶體的渡越時間內(nèi)，電場可能發(fā)生較大的變化，即晶體中不同部位的調(diào)制電壓不同，特別是當(dāng)調(diào)制周期（2/m）與渡越時間d(=nL/c)可以相比擬時，光波在晶體中各部位所受到的調(diào)制電場是不同的，這時總的相位延遲應(yīng)由以下積分得出:渡越時間d(=nL/c)，dz=cdt/n積分峰值相位延遲因子高頻相位延遲縮減因子：渡越時間d(=nL/c)，dz=cdt/n積分峰值相位延遲因子高頻相位延遲縮減因子：或光波在晶體內(nèi)的渡越時間必須遠小于調(diào)制信號的周期，才能使調(diào)制效果不受影響。對KDP晶體，若n=1.5,長L=1cm,則第3章光束的調(diào)制與掃描3.3聲光調(diào)制第3章光束的調(diào)制與掃描3.3聲光調(diào)制1.聲光調(diào)制器結(jié)構(gòu)聲光調(diào)制基于聲光效應(yīng)。聲光調(diào)制器是由聲光介質(zhì)、電——聲換能器、吸聲（或反射）裝置及驅(qū)動電源等組成。聲光調(diào)制器結(jié)構(gòu)吸聲裝置LaserinLaserout聲光調(diào)制器結(jié)構(gòu)吸聲裝置LaserinLaserout第3章光束的調(diào)制與掃描3.3聲光調(diào)制

聲光調(diào)制器結(jié)構(gòu)聲光調(diào)制基于聲光效應(yīng)。聲光調(diào)制器是由聲光介質(zhì)、電——聲換能器、吸聲（或反射）裝置及驅(qū)動電源等組成。聲光介質(zhì)是聲光相互作用的區(qū)域。當(dāng)一束光通過變化的聲場時，由于光和超聲場的互作用，其出射光就具有隨時間而變化的各級衍射光，利用衍射光的強度隨超聲波強度的變化而變化的性質(zhì)，就可以制成光強度調(diào)制器。聲光調(diào)制器結(jié)構(gòu)吸聲裝置LaserinLaserout第3章光束的調(diào)制與掃描3.3聲光調(diào)制聲光調(diào)制基于聲光效應(yīng)。聲光調(diào)制器是由聲光介質(zhì)、電——聲換能器、吸聲（或反射）裝置及驅(qū)動電源等組成。聲光介質(zhì)是聲光相互作用的區(qū)域。當(dāng)一束光通過變化的聲場時，由于光和超聲場的互作用．其出射光就具有隨時間而變化的各級衍射光，利用衍射光的強度隨超聲波強度的變化而變化的性質(zhì)，就可以制成光強度調(diào)制器。

聲光調(diào)制器結(jié)構(gòu)電——聲換能器（又稱超聲發(fā)生器）。它是利用某些壓電晶體（石英、鈮酸鋰晶體LiNbO3等）或壓電半導(dǎo)體（硫化鎘CdS，ZnO等）的反壓電效應(yīng)，在外加電場作用下產(chǎn)生機械振動而形成超聲波，所以它起著將調(diào)制的電功率轉(zhuǎn)換成聲功率的作用。聲光調(diào)制器結(jié)構(gòu)吸聲裝置LaserinLaserout第3章光束的調(diào)制與掃描3.3聲光調(diào)制聲光調(diào)制基于聲光效應(yīng)。聲光調(diào)制器是由聲光介質(zhì)、電——聲換能器、吸聲（或反射）裝置及驅(qū)動電源等組成。聲光介質(zhì)是聲光相互作用的區(qū)域。當(dāng)一束光通過變化的聲場時，由于光和超聲場的互作用．其出射光就具有隨時間而變化的各級衍射光，利用衍射光的強度隨超聲波強度的變化而變化的性質(zhì)，就可以制成光強度調(diào)制器。電——聲換能器（又稱超聲發(fā)生器）。它是利用某些壓電晶體（石英、鈮酸鋰晶體LiNbO3等）或壓電半導(dǎo)體（硫化鎘CdS，ZnO等）的反壓電效應(yīng)，在外加電場作用下產(chǎn)生機械振動而形成超聲波，所以它起著將調(diào)制的電功率轉(zhuǎn)換成聲功率的作用。某些電介質(zhì)物質(zhì)，在沿一定方向?qū)ζ涫┘訅毫蚶κ怪冃?，它的表面會產(chǎn)生一定方向的電荷，當(dāng)外力去掉后，又回到不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱壓電效應(yīng)。反之，

施加激勵電場，介質(zhì)將產(chǎn)生機械變形，稱逆壓電效應(yīng)

聲光調(diào)制器結(jié)構(gòu)聲光調(diào)制器結(jié)構(gòu)吸聲裝置LaserinLaserout第3章光束的調(diào)制與掃描3.3聲光調(diào)制聲光調(diào)制基于聲光效應(yīng)。聲光調(diào)制器是由聲光介質(zhì)、電——聲換能器、吸聲（或反射）裝置及驅(qū)動電源等組成。聲光介質(zhì)是聲光相互作用的區(qū)域。當(dāng)一束光通過變化的聲場時，由于光和超聲場的互作用．其出射光就具有隨時間而變化的各級衍射光，利用衍射光的強度隨超聲波強度的變化而變化的性質(zhì)，就可以制成光強度調(diào)制器。電——聲換能器（又稱超聲發(fā)生器）。它是利用某些壓電晶體（石英、鈮酸鋰晶體LiNbO3等）或壓電半導(dǎo)體（硫化鎘CdS，ZnO等）的反壓電效應(yīng)，在外加電場作用下產(chǎn)生機械振動而形成超聲波，所以它起著將調(diào)制的電功率轉(zhuǎn)換成聲功率的作用。吸聲（或反射）裝置。放置在超聲源的對面，用于吸收已通過介質(zhì)的聲波，以免返回介質(zhì)產(chǎn)生干擾，但要使超聲場為駐波狀態(tài)，則需要將吸聲裝置換成聲反射裝置。驅(qū)動電源。產(chǎn)生調(diào)制電信號施加于電聲換能器的兩端電極上，驅(qū)動聲光調(diào)制器（換能器）工作。

聲光調(diào)制器結(jié)構(gòu)第3章光束的調(diào)制與掃描3.3聲光調(diào)制1.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，再轉(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。由前面分析可知，無論是拉曼一納斯衍射，還是布喇格衍射，其衍射效率均與附加相位延遲有關(guān)。調(diào)制過程第3章光束的調(diào)制與掃描3.3聲光調(diào)制1.聲光調(diào)制器的工作原理拉曼——納斯衍射各級衍射光強分布是附加相位延遲因子；根據(jù)貝塞爾函數(shù)性質(zhì)，零級光最強，兩邊逐漸減弱；但增大時，零級變小，總功率向高級衍射光分配。第m衍射效率為：-2

-1

0

+1

+2

液槽

超聲信號源

L

x1

x2

聲光調(diào)制特性曲線：效率低；工作頻率低，帶寬小。拉曼——納斯衍射聲光調(diào)制特性拉曼——納斯衍射聲束寬度應(yīng)滿足的條件：第3章光束的調(diào)制與掃描3.3聲光調(diào)制1.聲光調(diào)制器的工作原理布喇格衍射聲光調(diào)制特性當(dāng)入射光與聲波面間夾角滿足一定條件時，介質(zhì)內(nèi)各級衍射光會相互干涉，滿足一定條件時，各高級次衍射光將互相抵消，只出現(xiàn)0級和+l級（或-l級）（視入射光的方向而定）衍射光，即產(chǎn)生布喇格衍射。布喇格方程、布喇格角第3章光束的調(diào)制與掃描3.3聲光調(diào)制1.聲光調(diào)制器的工作原理布喇格衍射聲光調(diào)制特性衍射效率：聲光調(diào)制特性曲線：效率高；工作頻率可以很高，帶寬大。2.調(diào)制帶寬

對于給定入射角和波長的光波，只有一個確定的頻率和波矢的聲波才能滿足布拉格條件。當(dāng)采用有限的發(fā)散光束和聲波場時，波束的有限角將會擴展，因此，在一個有限的聲頻范圍內(nèi)都能產(chǎn)生布拉格衍射。第3章光束的調(diào)制與掃描3.3聲光調(diào)制聲光調(diào)制器的帶寬：

允許的聲頻帶寬與布喇格角的可能變化量之間的關(guān)系為：

設(shè)入射光束的發(fā)散角為i，聲波束的發(fā)散角為，對于衍射受限制的波束，w0：入射光束束腰半徑；n：為介質(zhì)的折射率；D：聲束寬度。2.調(diào)制帶寬

第3章光束的調(diào)制與掃描3.3聲光調(diào)制2.調(diào)制帶寬

第3章光束的調(diào)制與掃描3.3聲光調(diào)制入射角覆蓋范圍：調(diào)制帶寬

由上述可知：聲光調(diào)制器的帶寬與聲波穿過光束的渡越時間（w0/v0）成反比，即與光束的直徑成反比。用寬度小的光束可以得到較大的帶寬。但光束發(fā)散角不能太大，否則，0級和1級衍射會有部分重疊，降低調(diào)制的效果。3.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

第3章光束的調(diào)制與掃描3.3聲光調(diào)制第3章光束的調(diào)制與掃描3.4磁光調(diào)制第3章光束的調(diào)制與掃描3.4磁光調(diào)制

法拉第效應(yīng)：把磁光介質(zhì)如水、鉛玻璃等放到磁場中，使光線平行于磁場方向通過介質(zhì)時，入射的平面偏振光的振動方向就會發(fā)生旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)移角度的大小與磁光介質(zhì)的性質(zhì)、光程和磁場強度等因素有關(guān)。

磁光調(diào)制與電光調(diào)制、聲光調(diào)制一樣，也是把要傳遞的信息轉(zhuǎn)換成光載波的強度（振幅）等參數(shù)隨時間的變化。所不同的是，磁光調(diào)制是將電信號先轉(zhuǎn)換成與之對應(yīng)的交變磁場，由磁光效應(yīng)改變在介質(zhì)中傳輸?shù)墓獠ǖ钠駪B(tài)，從而達到改變光強度等參量的目的。第3章光束的調(diào)制與掃描3.4磁光調(diào)制第3章光束的調(diào)制與掃描3.5直接調(diào)制第3章光束的調(diào)制與掃描3.5直接調(diào)制內(nèi)調(diào)制(直接調(diào)制)、外調(diào)制(間接調(diào)制)內(nèi)調(diào)制：加載調(diào)制信號是在激光振蕩過程中進行的，也就是用調(diào)制信號去改變激光振蕩器的參數(shù)，以達到改變激光輸出特性而實現(xiàn)調(diào)制。實現(xiàn)內(nèi)調(diào)制的方法：一、通過直接控制激光器泵浦電源(如用調(diào)制信號控制通過激光器的電流大小)，調(diào)制輸出激光強度，使輸出激光的強弱或有無受電源控制，從而使激光器輸出功率被信號調(diào)制。二、將調(diào)制元件放入激光諧振腔內(nèi)，用調(diào)制信號控制調(diào)制元件物理特性的變化，改變諧振腔的參數(shù)，以實現(xiàn)改變激光輸出特性而達到調(diào)制的目的。兩種方法中前者比較簡單，但主要應(yīng)用于半導(dǎo)體激光器的調(diào)制。外調(diào)制：是目前人們比較重視的調(diào)制方祛。它是把調(diào)制器放在激光器諧振腔外的光路上，將調(diào)制信號以電壓形式加于調(diào)制器，使其某些物理特性發(fā)生相應(yīng)的變化，這時通過調(diào)制器的激光就得到了調(diào)制。顯然，外調(diào)制是在激光已經(jīng)輸出后加載調(diào)制信號，它不改變激光器的參數(shù)，而直接改變通過調(diào)制器后輸出激光的強度、頻率及相位等參數(shù)．外調(diào)制的一個很大優(yōu)點是無干擾。第3章光束的調(diào)制與掃描3.5直接調(diào)制直接調(diào)制是目前光纖通信系統(tǒng)普遍采用的實用化調(diào)制方法。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。前者是用連續(xù)的模擬信號（如電視、語音等信號）直接對光源進行光強度調(diào)制，后者是用脈沖編碼調(diào)制的數(shù)字信號對光源進行強度調(diào)制。第3章光束的調(diào)制與掃描3.5直接調(diào)制1.半導(dǎo)體激光器(LD)直接調(diào)制的原理(1)半導(dǎo)體激光器的輸出特性和光譜特性第3章光束的調(diào)制與掃描3.5直接調(diào)制(2)半導(dǎo)體激光器的調(diào)制特性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。1.半導(dǎo)體激光器(LD)直接調(diào)制的原理(1)半導(dǎo)體激光器的輸出特性和光譜特性第3章光束的調(diào)制與掃描3.5直接調(diào)制(3)半導(dǎo)體激光器的調(diào)制原理電路圖(2)半導(dǎo)體激光器的調(diào)制特性曲線1.半導(dǎo)體激光器(LD)直接調(diào)制的原理(1)半導(dǎo)體激光器的輸出特性和光譜特性為了獲得線性調(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。第3章光束的調(diào)制與掃描3.5直接調(diào)制2.半導(dǎo)體發(fā)光二極管(LED)的調(diào)制特性半導(dǎo)體發(fā)光二極管不是閾值器件，它的輸出光功率不會隨注入電流的變化而發(fā)生突變；發(fā)光二極管的PI特性曲線優(yōu)于半導(dǎo)體激光器。在模擬光纖通信系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用；發(fā)光二極管不能獲得很高的調(diào)制速率。正面發(fā)光型發(fā)光二極管端面發(fā)光型發(fā)光二極管第3章光束的調(diào)制與掃描3.5直接調(diào)制3.半導(dǎo)體發(fā)光源的模擬調(diào)制調(diào)制方法調(diào)制深度：調(diào)制特點：

m大，調(diào)制信號幅度大,線性較差；

m小，線性好，調(diào)制信號幅度小。在線性要求較高的應(yīng)用中，需要進行非線性補償，即用電子技術(shù)校正光源引起的非線性失真。第3章光束的調(diào)制與掃描3.5直接調(diào)制4.半導(dǎo)體發(fā)光源的脈沖編碼數(shù)字調(diào)制數(shù)字調(diào)制是用二進制數(shù)字信號“l(fā)”碼和“0”碼對光源發(fā)出的光波進行調(diào)制。數(shù)字信號大都采用脈沖編碼調(diào)制，即先“抽樣”，再“量化”和“編碼”，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)字信號對光源進行強度調(diào)制，調(diào)制特性曲線如圖所示。特點：傳輸過程中引進的噪聲和失真，可采用間接中繼器的方式去掉，故抗干擾能力強；對數(shù)字光纖通信系統(tǒng)的線性要求不高，可充分利用光源(LD)的發(fā)光功率；便于和脈沖編碼電話終端、脈沖編碼數(shù)字彩色電視終端、電子計算機終端相連接，從而組成既能傳輸電話、彩色電視，又能傳輸計算機數(shù)據(jù)的多媒體綜合通信系統(tǒng)。第3章光束的調(diào)制與掃描3.6光束掃描技術(shù)第3章光束的調(diào)制與掃描3.6光束掃描技術(shù)

激光束掃描技術(shù)是指利用電光效應(yīng)、聲光效應(yīng)、磁光效應(yīng)或機械手段等方法控制光束的傳播方向；光束掃描技術(shù)廣泛應(yīng)用于光纖通信、各種顯示、傳真和光存儲等方面。如利用電光偏轉(zhuǎn)作成1n的光多路開關(guān)在光纖通訊、光纖傳感網(wǎng)絡(luò)中有重要的應(yīng)用。在很多應(yīng)用中不僅要求改變光的傳播方向，而且要求具有很高的頻率。根據(jù)應(yīng)用目的不同可分為兩種類型：一種是光的偏轉(zhuǎn)角連續(xù)變化的模擬式掃描，它能描述光束的連續(xù)位移；另一種是不連續(xù)的數(shù)字掃描，它是在選定空間的某些特定位置上使光束的空間位置“跳變”。前者主要用于各種顯示，后者則主要用于光存儲。激光光束偏轉(zhuǎn)的方法主要有：(1)機械偏轉(zhuǎn)(2)電光偏轉(zhuǎn)(3)聲光偏轉(zhuǎn)。圖示為一簡單的機械掃描原理裝置，激光束入射到一可轉(zhuǎn)動的平面反射鏡上，當(dāng)平面鏡轉(zhuǎn)動時，平面鏡反射的激光束的方向就會發(fā)生改變，達到光束掃描的目的。機械掃描方法雖然原始，掃描速度慢，但其掃描角度大而且受溫度影響小，光的損耗小而且適用于各種光波長的掃描。因此，機械掃描方法在目前仍是一種常用的光束掃描方法。它不僅可以用在各種顯示技術(shù)中，而且還可用在微型圖案的激光加工裝置中。3.6光束掃描技術(shù)3.6.1機械掃描3.6光束掃描技術(shù)3.6.2電光掃描3.6光束掃描技術(shù)3.6.2電光掃描電光掃描是利用電光效應(yīng)來改變光束在空間的傳播方向，其原理如圖所示。光束沿y方向入射到長度為L，厚度為d的電光晶體，如果晶體的折射率是坐標(biāo)X的線性函數(shù)，即式中n是x=0處的折射率，n是在厚度d上折射率的變化量。那么，在x=d（晶體上面）處的折射率則是n+n。當(dāng)一平面波經(jīng)過晶體時，光波上部和下部所需時間為：由于通過晶體的時間不同而導(dǎo)致光線A相對于B要落后一段距離：這就意味著光波到達晶體出射面時，其波陣面相對于傳播軸線偏轉(zhuǎn)了一個小角度，其偏轉(zhuǎn)角（在輸出端晶體內(nèi)）為由折射定律,光束射出晶體后的偏轉(zhuǎn)角為：電光掃描原理(28)3.6光束掃描技術(shù)3.6.2電光掃描結(jié)構(gòu)：由兩塊KDP直角棱鏡組成，棱鏡的三個邊分別沿x、y和z軸方向，兩塊晶體的z軸反向平行，其他兩個軸的取向均相同，電場沿z軸方向；光線沿y方向傳播且沿x方向偏振。雙KDP楔形棱鏡掃描器ABA線完全在上棱鏡中傳播，“經(jīng)歷”的折射率為：B線完全在下棱鏡中傳播，“經(jīng)歷”的折射率為：代入公式：得：假設(shè)偏轉(zhuǎn)電壓是周期變化的鋸齒波，則光束將在一定角度范圍內(nèi)作周期性線性掃描。3.6光束掃描技術(shù)3.6.2電光掃描多級棱鏡掃描器例，取L=d=h=1cm

63＝10.510-12m／Vn0=1.51V=l000VAB(35)3.6光束掃描技術(shù)3.6.2電光掃描多級棱鏡掃描器例，取L=d=h=1cm

63＝10.510-12m／Vn0=1.51V=l000V得：=3510-7rad。由：AB3.6光束掃描技術(shù)3.6.2電光掃描多級棱鏡掃描器例，取L=d=h=1cm

63＝10.510-12m／Vn0=1.51V=l000V得：=3510-7rad。由：所以電光偏轉(zhuǎn)角很小，很難達到使用要求。AB3.6光束掃描技術(shù)3.6.2電光掃描多級棱鏡掃描器例，取L=d=h=1cm

63＝10.510-12m／Vn0=1.51V=l000V增大電光偏轉(zhuǎn)角的方法：得：=3510-7rad。由：所以電光偏轉(zhuǎn)角很小，很難達到使用要求。1.增大電壓；AB3.6光束掃描技術(shù)3.6.2電光掃描多級棱鏡掃描器例，取L=d=h=1cm

63＝10.510-12m／Vn0=1.51V=l000V增大電光偏轉(zhuǎn)角的方法：得：=3510-7rad。由：所以電光偏轉(zhuǎn)角很小，很難達到使用要求。1.增大電壓；2.改進結(jié)構(gòu)；3.6光束掃描技術(shù)3.6.2電光掃描電光掃描器的基本參量N設(shè)實際的光束的發(fā)散角為：ABN相當(dāng)于電場作用下在聚焦平面上偏轉(zhuǎn)的可分辨點數(shù)。若電光晶體放在高斯光束束腰處，則3.6光束掃描技術(shù)3.6.2電光掃描電光數(shù)字式掃描電光數(shù)字式掃描結(jié)構(gòu)分裂角：三級電光數(shù)字式掃描三級電光數(shù)字式掃描原理電光數(shù)字式掃描原理三級電光數(shù)字式掃描輸出與輸入的關(guān)系(50)3.6光束掃描技術(shù)3.6.2電光掃描電光開關(guān)電光數(shù)字式掃描結(jié)構(gòu)的一個應(yīng)用就是可以構(gòu)成通道切換開關(guān)。常用晶體電光晶體半波電壓較高，在實用中受到限制。采用集成光路工藝做成的光開關(guān)，控制電壓僅需10V左右，并且可以做成開關(guān)陣列。3.6光束掃描技術(shù)3.6.2電光掃描喇叭形集成光開關(guān)原理：利用電光晶體受到外電場作用時某方向折射率將減小的現(xiàn)象。結(jié)構(gòu)：四個喇叭型錐形通道波導(dǎo)構(gòu)成一個平面波導(dǎo)的輸入端和輸出端，此平面波導(dǎo)內(nèi)有一個可通過施加電場而使折射率減小的波導(dǎo)區(qū)。開關(guān)工作過程3.6光束掃描技術(shù)3.6.3聲光掃描3.6光束掃描技術(shù)3.6.3聲光掃描聲光效應(yīng)的另一個重要用途是用來進行光束掃描偏轉(zhuǎn)。聲光掃描器的結(jié)構(gòu)與布拉格聲光調(diào)制器基本相同，所不同之處在于調(diào)制器是改變衍射光的強度，而掃描器則是通過改變聲波頻率來改變衍射光的方向．使之發(fā)生偏轉(zhuǎn)，既可以使光束連續(xù)偏轉(zhuǎn)，也可以是分離的光點掃描偏轉(zhuǎn)。3.6光束掃描技術(shù)3.6.3聲光掃描從前面的聲光布拉格衍射理論分析可知，產(chǎn)生衍射極值應(yīng)滿足布喇格條件:3.6光束掃描技術(shù)3.6.3聲光掃描從前面的聲光布拉格衍射理論分析可知，產(chǎn)生衍射極值應(yīng)滿足布喇格條件:衍射光與入射光間的夾角（偏轉(zhuǎn)角）等于布拉格角的2倍，3.6光束掃描技術(shù)3.6.3聲光掃描從前面的聲光布拉格衍射理論分析可知，產(chǎn)生衍射極值應(yīng)滿足布喇格條件:故衍射光與入射光間的夾角（偏轉(zhuǎn)角）等于布拉格角的2倍，可以看出：改變超聲波的頻率就可以改變其偏轉(zhuǎn)角，從而達到控制光束傳播方向的目的，并且有以前是從光波的相干疊加來說明布拉格聲光互作用原理的。也可以從光和聲的量子特性得出聲光布拉格衍射條件。光束可以看成是能量為?i，動量為?ki的光子(粒子)流，其中i和ki為光波的角頻率和波矢。同樣,聲波也可以看成是能量為?s

、動量為?

ks的聲子流，聲光互作用可以看成光子和聲子的一系列碰撞，每一次碰撞導(dǎo)致一個入射光子（i

）和一個聲子(s)的湮沒，同時產(chǎn)生一個頻率為ωd=ωi+ωs的新(衍射)光子。根據(jù)碰撞前后動量守恒原理，應(yīng)有?

ki土?

ks＝?

kd

擴充資料：布拉格聲光衍射的粒子模型即ki土ks＝kd

同樣，根據(jù)能量定恒，應(yīng)有

?ωi土?ωs＝?ωd

即ωi土ωs＝ωd

（1.3-29）

式中，“十”表示吸收聲子；“一”表示放出聲子。若衍射光子是由碰撞中消失的光子和吸收聲子所產(chǎn)生，公式中取“十”號，其頻率為ωd=ωi+ωs；若碰撞中—個入射光子消失，同時產(chǎn)生一個聲子和衍射光子，則公式中取“一”號，其頻率為ωd=ωi-ωs。由于光波頻率（ωi）遠遠高于聲波頻率(ωs)，故可近似地認(rèn)為

ωd

＝ωi土ωs≈

ωi

類似有kd=

ki正常布拉格衍射波矢θd

θi

kd

ki

ks

于是有這就是前面所得到的布拉格方程。故布拉格衍射的波矢圖為一等腰三角形，如圖所示。由圖可直接導(dǎo)出因為θ和△θ角都很小，因而可近似認(rèn)為△θ=△ks

/kd

=λ△fs

/(nνs)(而不是書上的△ks

/ks

)所以偏轉(zhuǎn)角與聲頻的改變成正比。B若聲波頻率變?yōu)閒s十△fs時，則根據(jù)ks

＝2πfs

/νs的關(guān)系，聲波波矢量將有△ks＝2π△fs

/νs的變化。由于入射角θi不變,衍射光波矢大小也不變,則聲光波矢圖不再閉合。光束將沿著OB方向衍射,相應(yīng)的光束偏轉(zhuǎn)為△θ。第3章光束的調(diào)制與掃描3.7空間光調(diào)制器yx空間光調(diào)制器：可以形成隨xy坐標(biāo)變化的振幅(或強度)透過率

A(x,y)＝A0T(x,y)或者是形成隨坐標(biāo)變化的相位分布A(x,y)＝A0Texp[iθ(x,y)]結(jié)構(gòu)寫入信號讀出光輸出光電尋址空間光調(diào)制器光尋址空間光調(diào)制器分類反射式透射式第3章光束的調(diào)制與掃描3.7空間光調(diào)制器應(yīng)用領(lǐng)域：光學(xué)信息處理系統(tǒng)、顯示器、光計算機功能：圖像轉(zhuǎn)換、顯示、濾波、存儲優(yōu)點：能進行實時的二維并行處理、靈活

(x0,y0)

(x1,y1)

(x￠,y￠)

L0

L1

L2

0f

1f

'1f

2f

'2f

物面

頻譜面

象面

O

光學(xué)信息處理空間濾波、位相濾波、圖像微分、圖像識別等等OpticalFilterAword“成”PhasegratingCandle不明物體所構(gòu)成的圖像通過CCD1輸入到PC1中,經(jīng)過計算機處理，和計算機內(nèi)部儲存的參考物體構(gòu)成一幅圖像，輸入到SLM1中；平行光束照射到SLM1上，經(jīng)過傅立葉透鏡lens2，在傅立葉平面上形成聯(lián)合功率譜（JTPS）；用CCD2來采集JTPS，輸入到計算機PC2中進行圖像處理，處理完的圖像輸入到SLM2上；經(jīng)過分光鏡分得的平行光照到SLM2上，通過傅立葉透鏡lens3在輸出平面上得到相關(guān)峰；由CCD3攝取目標(biāo)圖像與參考圖像的聯(lián)合變換相關(guān)點，再輸入到PC3中由其顯示出來；通過判斷相關(guān)點的位置，我們可以確定目標(biāo)及其方位。模式識別系統(tǒng)計算機

物體

1L

液晶光閥

分光棱鏡

2L

3L

Laser

4L

5L

CCD

空間光調(diào)制器

基于液晶光閥的光學(xué)小波變換光路

利用光學(xué)小波變換實現(xiàn)圖像壓縮非相干光----相干光的轉(zhuǎn)化第3章光束的調(diào)制與掃描3.7.1泡克耳讀出光調(diào)制器泡克耳讀出光調(diào)制器(PROM)是一種利用電光效應(yīng)制成的光學(xué)編址型空間光調(diào)制器。122341Ir51-透明電極2-絕緣層3-雙色反射層(書上畫錯位置)4-硅酸鉍晶體5-工作電壓6-起偏器7-分束器8-檢偏器IoIw1.泡克耳讀出光調(diào)制器的結(jié)構(gòu)678第3章光束的調(diào)制與掃描3.7.1泡克耳讀出光調(diào)制器2.泡克耳讀出光調(diào)制器的工作過程施加電壓氙燈閃光擦除電壓反轉(zhuǎn)寫入曝光反射讀出擦除與激發(fā)：首先給PROM加上直流電壓V0。這一電壓被分配到BSO晶片與絕緣層上，如圖(a)所示。然后用脈沖氙燈對其作瞬時、均勻照射。由于BSO具有光電導(dǎo)性，在光照下晶體產(chǎn)生大量電子-空穴對，使BSO成為導(dǎo)體，BSO上的壓降為0，如圖（b）所示。實際上，在外電場作用下，BSO內(nèi)電子-空穴對定向移動，在其左右兩側(cè)界面上產(chǎn)生了正、負電荷積累，從而在BSO內(nèi)形成了一個與外電場方向相反的均勻的內(nèi)電場。關(guān)閉氙燈之后，將PROM兩電極突然短路。此時，外電場撤消，又無光照射BSO，使其失去導(dǎo)電性能，界面上的積累電荷被保留下來，即內(nèi)電場被保留下來。故晶體上出現(xiàn)-V0電壓降，如圖

(c)所示。由于氙燈照射時光強分布是均勻的，BSO界面電荷分布也是均勻的，內(nèi)電場也必然是均勻的。這一過程無論BSO中原來是否存在已輸入的圖像，都如此。因此它既是PROM的激發(fā)過程，也是其擦除過程，兩個功能同時完成。 寫入：將載有輸入圖像信息的短波長（藍色）光作為寫入光，自圖右側(cè)照射PROM，由于雙色反射層可通過藍光，它將成像在BSO晶片右表面上。在圖像的亮區(qū)，由于光電導(dǎo)效應(yīng)產(chǎn)生電子-空穴對。電子在內(nèi)電場作用下，向BSO的左側(cè)表面遷移，正、負電荷分離后形成的附加電場將抵消一部分內(nèi)電場，使這些區(qū)域的電壓降減小。在圖像的暗區(qū)，則由于電子-空穴對很少，電壓降變化也小，甚至基本保持V0不變。這樣一來，原來圖像的空間光強分布，經(jīng)BSO的光電導(dǎo)效應(yīng)轉(zhuǎn)換成空間電壓分布，即把圖像信息“寫入”了PROM。

讀出：采用長波長（例如λ=633nm）的紅光作為讀出光，這是因為BSO晶體的光電導(dǎo)效應(yīng)對紅光的靈敏度很低。紅光作為讀出光基本上不會破壞藍光寫入的電壓圖像。通常讀出光采用單色線偏振光，由左側(cè)射入PROM，并分解成振動方向平行于xˊ軸和yˊ軸的兩個線偏振分量。由于BSO晶片的雙折射，它們在晶片中的相位延遲會不同。經(jīng)雙色反射層反射后，它們再次通過晶片，且相位延遲的差異加倍，最后由左方射出，形成輸出光IO。IO波面各處的偏振態(tài)受到按寫入圖像形成的電場（電壓）分布的調(diào)制。如果令其通過檢偏器，則IO上各像元素的振幅或光強也獲得相應(yīng)調(diào)制。若使讀出光沿xˊ或yˊ方向偏振，且不加偏振器，則可獲得相位調(diào)制。第3章光束的調(diào)制與掃描3.7.2液晶空間光調(diào)制器什么是液晶液晶是介于液體與晶體之間的一種物質(zhì)狀態(tài)。一般的液體內(nèi)部分子排列是無序的，而液晶既具有液體的流動性，其分子又按一定規(guī)律有序排列，使它呈現(xiàn)晶體的各向異性。當(dāng)光通過液晶時，會產(chǎn)生偏振面旋轉(zhuǎn)、雙折射等效應(yīng)。液晶分子是含有極性基團的極性分子，在電場作用下，偶極子會按電場方向取向，導(dǎo)致分子原有的排列方式發(fā)生變化，從而液晶的光學(xué)性質(zhì)也隨之發(fā)生改變，這種因外電場引起的液晶光學(xué)性質(zhì)的改變稱為液晶的電光效應(yīng)。大多數(shù)液晶材料都是由有機化合物構(gòu)成的。這些有機化合物分子多為細長的棒狀結(jié)構(gòu)，長度為數(shù)nm，粗細約為0.1nm量級，并按一定規(guī)律排列。

1888年，奧地利植物學(xué)家Reinitzer在做有機物溶解實驗時，在一定的溫度范圍內(nèi)觀察到液晶。1961年美國RCA公司的Heimeier發(fā)現(xiàn)了液晶的一系列電光效應(yīng)，并制成了顯示器件。從70年代開始，日本公司將液晶與集成電路技術(shù)結(jié)合，制成了一系列的液晶顯示器件，并至今在這一領(lǐng)域保持領(lǐng)先地位。液晶顯示器件由于具有驅(qū)動電壓低(一般為幾伏)，功耗極小，體積小，壽命長，環(huán)保無輻射等優(yōu)點，在當(dāng)今各種顯示器件的競爭中有獨領(lǐng)風(fēng)騷之勢。液晶的分類根據(jù)排列的方式不同，液晶一般被分為三大類：圖1近晶相液晶圖2向列相液晶圖3膽甾相液晶

1、近晶相液晶(如圖1）：分子分層排列，每一層內(nèi)的分子長軸相互平行且垂直或傾斜于層面。

2、向列相液晶(如圖2）：分子的位置比較雜亂，不再分層排列，但各分子的長軸方向仍大致相同,光學(xué)性質(zhì)上有點像單軸晶體。

3、膽甾相液晶(如圖3）：分子也是分層排列，每一層內(nèi)的分子長軸方向基本相同并平行于分層面,但相鄰的兩個層中分子長軸的方向逐漸轉(zhuǎn)過一個角度,總體來看分子長軸方向呈現(xiàn)一種螺旋結(jié)構(gòu)。扭曲向列型液晶顯示(TN-LCD)結(jié)構(gòu)將液晶材料夾在兩個玻璃基片之間，并對四周進行密封（如上圖）。將基片的內(nèi)表面進行適當(dāng)?shù)奶幚?，步驟是：1、涂覆取向膜，在基片表面形成一種膜。2、摩擦取向，用棉花或絨布按一個方向摩擦取向膜。3、涂覆接觸劑。經(jīng)過這三個步驟后，就可以控制緊靠玻璃基片的液晶分子，使其平行于基片并按摩擦方向排列。如果我們使上下兩個基片的取向成一定角度，則兩個基片間的液晶分子就會形成許多層。

扭曲向列型液晶顯示(TN-LCD)1.工作原理~IrIwIo123

45

6

7

8

9

1011

12硫化鎘液晶光閥示意圖：1.介質(zhì)膜；2,12.平板玻璃；3,11.透明電極；4.,7.液晶分子取向膜層；5.液晶；6.隔圈；8.多層介質(zhì)膜反射鏡；9.隔光層；10.光導(dǎo)層；13.電源13第3章光束的調(diào)制與掃描3.7.2液晶空間光調(diào)制器液晶空間光調(diào)制器的結(jié)構(gòu)~IrIwIo123

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1213第3章光束的調(diào)制與掃描3.7.2液晶空間光調(diào)制器液晶空間光調(diào)制器的工作原理介質(zhì)膜平板玻璃平板玻璃透明電極透明電極液晶分子取向膜層液晶分子取向膜層液晶隔圈多層介質(zhì)膜反射鏡隔光層光導(dǎo)層電源3.6光束掃描技術(shù)一種是光的偏轉(zhuǎn)角連續(xù)變化的模擬式掃描，它能描述光束的連續(xù)位移；另一種是不連續(xù)的數(shù)字掃描，它是在選定空間的某些特定位置上使光束的空間位置“跳變”。前者主要用于各種顯示，后者則主要用于光存儲。1.機械掃描機械掃描技術(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，即可采用機械掃描方法。機械掃描技術(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。

圖1所示為一簡單的機械掃描原理裝置，激光束入射到一可轉(zhuǎn)動的平面反射鏡上，當(dāng)平面鏡轉(zhuǎn)動時，平面鏡反射的激光束的方向就會發(fā)生改變，達到光束掃描的目的。

入射光束掃描光束

反射鏡

圖1機械掃描裝置示意圖

機械掃描方法雖然原始，掃描速度慢，但其掃描角度大而且受溫度影響小，光的損耗小，而且適用于各種光波長的掃描。因此，機械掃描方法在目前仍是一種常用的光束掃描方法。它不僅可以用在各種顯示技術(shù)中，而且還可用在微型圖案的激光加工裝置中。2.電光掃描電光掃描是利用電光效應(yīng)來改變光束在空間的傳播方向，其原理如圖2所示。LdBAyxBA光束的偏轉(zhuǎn)方向圖2電光掃描原理圖

光束沿y方向入射到長度為L，厚度為d的電光晶體，如果晶體的折射率是坐標(biāo)x的線性函數(shù)，即用折射率的線性變化代替，偏轉(zhuǎn)角可根據(jù)折射定律求得（）。

式中的負號是由坐標(biāo)系引進的，即

由y轉(zhuǎn)向x為負。圖3所示的是根據(jù)這種原理作成的雙KDP楔形棱鏡掃描器。它由兩塊KDP直角棱鏡組成，棱鏡的三個邊分別沿x、y和z軸方向，但兩塊晶體的z軸反向平行。光線沿方向傳播y且沿方x向偏振。外電場沿Z方向（橫向效應(yīng)）。上部的A線完全在上棱鏡中傳播，“經(jīng)歷”的折射率為。而在下棱鏡中，B線“經(jīng)歷”的折射率為。于是上、下折射率之差（）為。得例題：取L=d=h=1cm，r63=10.510-12m／V，no=1.51，V=1000V。

為了使偏轉(zhuǎn)角加大，而電壓又不致太高，因此常將若干個KDP棱鏡在光路上串聯(lián)起來，構(gòu)成長為mL、寬為d、高為h的偏轉(zhuǎn)器，如圖4所示。則得=3510-7rad?？梢婋姽馄D(zhuǎn)角是很小的，很難達到實用的要求。

hn+nn-nn+nn-nxy圖4多級棱鏡掃描器兩端的兩塊有一個角為/2，中間的幾塊頂角為的等腰三角棱鏡，它們的z軸垂直于圖面，棱鏡的寬度與z軸平行，前后相鄰的二棱鏡的光軸反向，電場沿z軸方向。各棱鏡的折射率交替為和其中。故光束通過掃描器后，總的偏轉(zhuǎn)角為每級（一對棱鏡）偏轉(zhuǎn)角的m倍，一般m為4～10，m不能無限增加的主要原因是激光束有一定的尺寸，而h的大小有限，光束不能偏出h之外。

3.電光數(shù)字式掃描

由電光晶體和雙折射晶體組合而成，其結(jié)構(gòu)原理如圖5所示。

圖中S為KDP晶體，B為方解石雙折射晶體（分離棱鏡），它能使線偏振光分成互相平行、振動方垂直的兩束光，其間隔b為分裂度，為分裂角（也稱離散角）?？v向電光調(diào)制器及其工作原理

上述電光晶體和雙折射晶體就構(gòu)成了一個一級數(shù)字掃描器，入射的線偏振光隨電光晶體上加和不加半波電壓而分別占據(jù)兩個“地址”之一，分別代表“0”和“l(fā)”狀態(tài)。若把n個這樣的數(shù)字偏轉(zhuǎn)器組合起來，就能做到n級數(shù)字式掃描。圖6所示為一個三級數(shù)字式掃描器，使入射光分離為23個掃描點的情況。

要使可掃描的位置分布在二維方向上，只要用兩個彼此垂直的n級掃描器組合起來就可以實現(xiàn)。這樣就可以得到2n2n個二維可控掃描位置。

3.7空間光調(diào)制器yx前面所介紹的各種調(diào)制器是對一束光的“整體”進行作用，而且對與光傳播方向相垂直的xy平面上的每一點其效果是相同的?？臻g光調(diào)制器可以形成隨xy坐標(biāo)變化的振幅(或強度)透過率

A(x,y)＝A0T(x,y)或者是形成隨坐標(biāo)變化的相位分布

A(x,y)＝A0Texp[iθ(x,y)]或者是形成隨坐標(biāo)變化的不同的散射狀態(tài)。顧名思義，這是一種對光波的空間分布進行調(diào)制的器件。它的英文名稱是SpatialLightModulator(SLM)?？臻g光調(diào)制器含有許多獨立單元，它們在空間排列成一維或二維陣列，每個單元都可以獨立地接受光信號或電信號的控制，并按此信號改變自身的光學(xué)性質(zhì)(透過率、反射率、折射率等)，從而對通過它的光波