《第三章-光束的调制和课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第三章-光束的调制和课件.ppt（71页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、第三章第三章 光束的调制和扫描光束的调制和扫描 基本要求（1）掌握光束调制原理，包括电光调制、声光调制、磁光调制和直接调制的原理、实现方法和特点及应用；（2）掌握光束扫描的原理，包括机械扫描、声光扫描、电光扫描的原理和实现方法和器件结构；（3）了解空间调制器的原理、特点和应用。重点：电光调制、声光调制的原理第一讲第一讲 内内 容容二、光束调制技术 1、电光调制原理 2、声光调制原理1、光调制概念2、光调制分类一、电光调制原理1、光调制概念2、光调制分类一、电光调制原理1、光束调制的概念、光束调制的概念要用光作为信息的载体，就必须解决如何将信息加到光上去的问题，这种将信息加载于光的过程称为光调制
2、，完成这一过程的装置称为调制器。其中光称为载波，起控制作用的低频信息称为调制信号。什么是光调制？什么是光调制？式中Ac为振幅，c为角频率，c为相位角。既然光束具有振幅、频率、相位、强度和偏振等参量，如果能够应用某种物理方法改变光波的这些参量之一，使其按照调制信号的规律变化，那么激光束就受到了信号的调制，达到“运载”信息的目的。光波的电场为(3.1-1)如何调制光？如何调制光？用什么方法调制？用什么方法调制？实现激光束调制的方法，根据调制器与激光器的关系可以分为内调制和外调制两种。内调制是指加载信号是在激光振荡过程中进行的，以调制信号改变激光器的振荡参数，从而改变激光器输出特性以实现调制。外调制
3、是指激光形成之后，在激光器的光路上放置调制器，用调制信号改变调制器的物理性能，当激光束通过调制器时，使光波的某个参量受到调制。按调制器的工作原理（基于的物理效应）可以分为 电光调制 声光调制 磁光调制 直接调制按所调制的参量可分为：振幅调制 频率调制 相位调制 强度调制2、光调制分类、光调制分类振幅调制就是使载波的振幅随调制信号的规律而变化的调制，简称调幅。（1）振幅调制振幅调制若调制信号是一时间的余弦函数，即调幅波的表达式为 光波的电场为光波的电场调制信号调幅波调幅系数2mc-m c c+m AcmaAc/2maAc/2 图1 调幅波频谱（2）频率调制或相位调制）频率调制或相位调制调频或调相
4、就是使光载波的频率或相位随着调制信号的变化规律而改变。因为这两种调制波都表现为总相角(t)的变化，因此统称为角度调制。光波的电场为对频率调制来说，就是光波的角频率c随调制信号变化(t)若调制信号为余弦函数，即调频系数单频调频单频调频(t)调频信号的瞬时相位(t)是瞬时角频率(t)对时间的积分,即对相位调制来说，就是光波的相位 c 随调制信号变化(t)则：相位调制相位调制由于调频和调相实质上最终都是调制总相角，因此可写成统一的形式 上式按三角公式展开，并应用 得到 单频信号经过调频之后，其频谱分量为无穷多个，即产生了新的频率分量。每个频率分量的大小不一。角度调制波的频谱角度调制波的频谱（a）m为
5、常数;（b）m为常数 单频调制时FM波的振幅谱调频波与调相波的比较表（3）强度调制）强度调制强度调制使光载波的强度(光强)随调制信号规律变化。光束调制多采用强度调制形式，这是因为接收器一般都是直接响应其所接收的光强。光束强度定义为光波电场的平方 单频余弦波强度调制的光强可表示为 I(t)t调制信号载波图32 强度调制(a)调制信号调制信号(b)脉冲幅度调制脉冲幅度调制(c)脉冲宽度调制脉冲宽度调制(d)脉冲频率调制脉冲频率调制（4）脉冲调制）脉冲调制脉冲调制是用间歇的周期性脉冲序列作为载波，并使载波的某一参量按调制信号规律变化的调制方法。抽样：时间离散化量化：幅度离散化编码：转换为二进制码（5
6、）脉冲编码调制(PCM)这这种种调调制制是是把把模模拟拟信信号号先先变变成成电电脉脉冲冲序序列列，进进而而把把量量化化后后的的信信号号电电平平值值转转换换成成二二进进制制码码组组，再再对对光光载载波进行强度调制。波进行强度调制。要实现脉冲编码调制，必须进行三个过程：抽样、量化和编码:量化。量化就是把抽样后的脉幅调制波作分级取“整”处理，用有限个数的代表值取代抽样值的大小。经抽样再通过量化过程变成数字信号。编码。编码是把量化后的数字信号变换成相应的二进制码的过程。即用一组等幅度、等宽度的脉冲作为“码子”，用“有”脉冲和“无”脉冲分别表示二进制数码的“1”和“0”。再将这一系列反映数字信号规律的电
7、脉冲加到一个调制器上，以控制激光的输出，由激光载波的极大值代表二进制编码的“1”，而用激光载波的零值代表“0”。抽样。抽样就是把连续信号波分割成不连续的脉冲波，用一定的脉冲列来表示，且脉冲列的幅度与信号波的幅度相对应。也就是说，通过抽样，原来的模拟信号变成一脉幅调制信号。抽抽 样样PCM信号形成过程示意图信号形成过程示意图光发射机原理框图光发射机原理框图 电信号输入电信号输入光发射机光纤光缆调制光源二、光调制技术二、光调制技术 电光调制 声光调制 磁光调制 直接调制1、电光调制技术、电光调制技术利用电光效应对光进行强度调制和相位调制。电光强度调制原理利用纵向电光效应和横向电光效应均可实现对光强
8、度的调制。电致双折射（电光效应）电致双折射（电光效应）：某某些些晶晶体体材材料料在在外外加加电电场场作作用用下下产产生生各各向向异异性性的的折折射射率变化率变化P1P2 lKDPKDP的纵向电光效应的纵向电光效应的纵向电光效应的纵向电光效应P1P2 lV不加电压不加电压加电压加电压 纵向电光强度调制原理纵向电光强度调制器的结构如图，其中起偏器P1的偏振方向平行于电光晶体的x轴，检偏器P2的偏振方向平行于电光晶体的y轴。入射光入射光P1IixyzxyP2Io调制光调制光VL起起偏偏器器检检偏偏器器xyxy光进入晶体后被分解为沿x和y方向的两个分量，其振幅和相位都相同，分别为入射光入射光P1Iix
9、yzxyP2Io调制光调制光VL起起偏偏器器检检偏偏器器通过长度为L的晶体之后，两个分量之间产生了一相位差 ，则有，通过检偏器后的总电场强度是Ex(L)和Ey(L)在y方向的投影之和，即：相应的输出光强为 入射光强度为：为为了了获获得得线线性性调调制制，可可以以通通过过引引入入一一个个固固定定的的/2/2相相位位延延迟迟或或使使调调制制器器的的电电压压偏偏值值在在T=50%T=50%的工作点上。的工作点上。可以通过引入固定的/2相位延迟的办法有两种：其一，在调制晶体上除了施加信号电压之外，再附加一个的固定偏压。其二，如下图所示，在调制器的光路上插入一/4波片，其快慢轴与晶体的主轴x成45角，从
10、而使和两个分量之间产生/2的固定相位差。入射光入射光P1IixyzxyP2Io调制光调制光VL起起偏偏器器/4/4波片波片检检偏偏器器入射光入射光P1IixyzxyP2Io调制光调制光VL起偏器起偏器/4/4波片波片检偏器检偏器xyxy慢轴快轴xy y x/4/4波片波片纵向电光调制器具有结构简单、工作稳定、不存在自然双折射的影响等优点。其缺点是半波电压太高，特别是在调制频率较高时，功率损耗比较大。横向电光调制xzz-xVy光进入晶体后，将分解为沿x和z方向的振动KDP晶体的横向电光效应使光波通过晶体后的相位延迟包括两项：第一项是与外电场无关的晶体本身的自然双折射引起的相位延迟，向对调制器的工
11、作没有什么贡献，而且当晶体温度变化时，还会带来不利影响，应设法消除。第二项是外电场作用产生的相位延迟，他与外加电压V和晶体的尺寸L/d有关，若适当地选择晶体的尺寸，则可以降低半波电压。在实际应用中，主要是采用一种“组合调制器”的结构予以补偿。常用的补偿方法有两种：一种方法是将两块尺寸、性能完全相同的晶体的光轴互成90串联排列，即一块晶体的y和z轴分别与另一块晶体的z和y平行；另一种方法是，两块晶体的z轴和y轴互相反向平行排列，中间放置/2波片。这两种方法的补偿原理是相同的。xzyxzyzxzxe1o1o2e2将两块尺寸、性能完全相同的晶体的光轴互成90串联排列，即一块晶体的x和z轴分别与另一块
12、晶体的z和x平行.y-zxyzxxze1o1zxo2e2两块晶体的z轴互相反向平行排列，中间放置/2波片。经过/2波片后，两束光的偏振方向各旋转90，经过第二块晶体后，原来的e1光变成了o2光、o1光变成e2光通过两块晶体之后的总相位差为：光经过第二块晶体后，两束光的相位差：这两种方法的补偿原理是相同的。当光经过第一块晶体之后，两束光的相位差：因此，若两块晶体的尺寸、性能完全相同，则自然双折射的影响即可得到补偿。电光相位调制电光相位调制起偏器的偏振方向平行于晶体的感应主轴x(或y)，此时入射到晶体的线偏振光不再分解成两个分量而是沿着x(或y)轴一个方向偏振，故外电场不改变出射光的偏振状态，仅改
13、变其相位，相位的变化为xyxy2、声光调制器的工作原理、声光调制器的工作原理声光调制是利用声光效应将信息加载于光频载波上的一种物理过程。调制信号是以电信号(调辐)形式作用于电-声换能器上而转化为以电信号形式变化的超声场，当光波通过声光介质时，由于声光作用，使光载波受到调制而成为“携带”信息的强度调制波。（1）声光效应）声光效应声波在介质中传播时，使介质产生弹性形变，引起介质的密度呈疏密相间的交替分布，因此，介质的折射率也随着发生相应的周期性变化。这如同一个光学“相位光栅”，光栅常数等于声波长s。当光波通过此介质时，会产生光的衍射。衍射光的强度、频率、方向等都随着超声场的变化而变化。xn 产生布
14、喇格衍射条件：声波频率较高，声光作用长度L较大，光束与声波波面间以一定的角度斜入射，介质具有“体光栅”的性质。布喇格衍射布喇格衍射s入射光Iii一级衍射光I1i+s2声波零级衍射光I0 布喇格衍射的特点：衍射光各高级次衍射光将互相抵消，只出现0级和+1级（或1级）衍射光。L在声功率Ps(或声强IsPs/LH)较小的情况下，衍射效率s随声强度Is单调地增加(呈线性关系)：布喇格型声光调制器工作原理布喇格型声光调制器工作原理调制信号衍射光入射光若对声强加以调制，衍射光强也就受到了调制。布喇格衍射由于效率高，且调制带宽较宽，故多被采用。布喇格声光调制特性曲线与电光强度调制相似，如图1所示。由图可以看
15、出：衍射效率s与超声功率Ps是非线性调制曲线形式，为了使调制波不发生畸变，则需要加超声偏置，使其工作在线性较好的区域。声光调制器的衍射效率声光调制器的衍射效率声光调制器的另一重要参量是衍射效率。要得到100的调制所需要的声强度为 所需的声功率所需的声功率 可见，声光材料的品质因数M2越大，欲获得100%的衍射效率所需要的声功率越小。而且电声换能器的截面应做得长（L大）而窄（H小）。3、磁光调制技术、磁光调制技术磁光调制主要是应用法拉第旋转效应，使一束线偏振光在外加磁场作用下的介质中传播时，其偏振方向发生旋转。某某些些物物质质在在磁磁场场作作用用下下，线线偏偏振振光光通通过过时时其其振振动动面面
16、会会发发生生旋旋转转，这这种种现现象象称称为为法法拉拉第第效效应应。光光的的电电矢矢量量E旋旋转转角角 与光在物质中通过的距离与光在物质中通过的距离l和磁场强度和磁场强度H成正比成正比法拉第效应法拉第效应ElH V 费尔德常量费尔德常量，磁光调制原理磁光调制原理zzHdc45 入射光入射光起偏器起偏器调制信号调制信号检偏器检偏器YIG(YIG(钇钇铁铁石石榴石榴石)棒棒磁光调制原理磁光调制原理z zz zHdc入射光入射光起偏器起偏器调制信号调制信号检偏器检偏器YIG(YIG(钇钇铁铁石石榴石榴石)棒棒为了获得线性调制，在垂直于光传播的方向上加一恒定磁场Hdc，其强度足以使晶体饱和磁化。工作时
17、，高频信号电流通过线圈就会感生出平行于光传播方向的磁场，入射光通过YIG晶体时，由于法拉第旋转效应，其偏振面发生旋转，旋转角正比于磁场强度H。4、直接调制、直接调制直接调制是把要传递的信息转变为电流信号注入半导体光源（激光二极管LD或半导体发光二极管LED），从而获得调制光信号。由于它是在光源内部进行的，因此又称为内调制。根据调制信号的类型，直接调制又可以分为模拟调制和数字调制两种。1）P-I特性特性典型的半导体激光器如下图所示典型的半导体激光器如下图所示(28页图页图26)阈值电流阈值电流半导体激光器的主要特性半导体激光器的主要特性2）调制特性调制特性 根据根据PI特性可以看出，改变半导体激
18、光器的特性可以看出，改变半导体激光器的注入电流就可以改变其输出光功率如下图。注入电流就可以改变其输出光功率如下图。数字调制模拟调制半导体激光器调制原理半导体激光器调制原理图所示的是半导体激光器调制原理以及输出光功率与调制信号的关系曲线。为了获得线性调制，使工作点处于输出特性曲线的直线部分，必须在加调制信号电流的同时加一适当的偏置电流Ib，这样就可以使输出的光信号不失真。为了避免直流偏置源对调制信号源产生影响，可用电容和电感线圈把调制信号与直流偏置隔离。LDUb+EcIc已调光波(a)驱动电路PoutItIco(b)LD工作特性光强度调制的模拟信号驱动电路光强度调制的模拟信号驱动电路数字调制是用
19、二进制数字信号“1”和“0”码对光源发出的光波进行调制。而数字信号大都采用脉冲编码调制，即先将连续的模拟信号通过“抽样”变成一组调幅的脉冲序列，再经过“量化”和“编码”过程，形成一组等幅度、等宽度的矩形脉冲作为“码元”，结果将连续的模拟信号变成了脉冲编码数字信号。然后，再用脉冲编码数字信号对光源进行强度调制，其调制特性曲线如图8所示。数数 字字 调调 制制三三、光束扫描技术光束扫描技术1、机械扫描2、电光扫描3、声光扫描机械扫描技术是目前最成熟的一种扫描方法。如果只需要改变光束的方向，既可采用机械扫描方法。机械扫描技术是利用反射镜或棱镜等光学元件的旋转或振动实现光束扫描。1、机械扫描（光机扫描）、机械扫描（光机扫描）成像设备工作原理图处理器观察视场瞬时视场扫描机构图所示为一简单的机械扫描成像设备原理装置，入射光到一可转动的平面反射镜上，当平面镜转动时，平面镜反射的光束的方向就会发生改变，达到扫描成像的目的。1、机械扫描（光机扫描）、机械扫描（光机扫描）机械扫描成像二维扫描振镜示意图 二维激光扫描二维激光扫描激光器水平扫描示意水平扫描示意水平扫描示意水平扫描示意垂直扫描示意垂直扫描示意垂直扫描示意垂直扫描示意1、什么是光调制？简述主要的光调制技术及其基于的物理效应。习题思考题习题思考题 2、如何利用电光效应实现光强度的调制？