第一章电光调制与声光调制ppt课件.ppt

第一章激光调制与偏转技术 第一章激光调制与偏转技术 以调制为重点 对偏转技术不作重点要求 主要讲以下几个问题 调制基本概念强度调制和振幅调制 定义 调制方法 相位调制和频率调制 定义 调制方法 激光偏转技术 简单 一 调制1 目的 通过调制进行信息的传递 2 调制 把信息加到载波的过程即调制 定义 利用调制讯号去改变载波的某一参数 使其参数按调制讯号的规律发生变化的过程 从定义看出调制的含义 1 调制讯号 需要调制的信息需转化为电讯号 即调制讯号2 载波 为传递信息附加的载体 载波一般用无线电波 光波等 需要频率较高 而且频率固定 1 1概述 二 激光调制1 激光调制 利用激光作为载波进行调制的过程 1 单色性好 2 激光发散角小3 具有较好的时间相干性和空间相干性2 调制器 完成激光调制的装置 3 调制的分类1 内调制 在激光形成过程中 以调制信号的规律去改变激光振荡的某一参数 即用调制信号控制着激光的形成 2 外调制 把调制器放在激光器的外面 优点 调制效率高 缺点 a 由于调制器放在腔内 等于增加腔内的损耗 降低了输出功率 b 调制器带宽受到谐振腔通带的限制 优点 a 因为调制器和激光形成无关 不影响激光器的输出功率 b 调制器的带宽不受谐振腔通带的限制 缺点 调制效率低 三 振幅调制和强度调制1 振幅调制 调幅 1 定义 以调制讯号去改变激光的振幅 使其振幅按调制讯号的规律变化 调制前 调制后 调制讯号 2 调制系数 振幅的最大增量与振幅的平均值之比 振幅的最大值振幅的最小值振幅的最大增量由可得m主要由K A0决定 即比例系数K和调制讯号的振幅A0 对m的要求 m 1 保证调制信号在传输过程中不畸变 m 1时 使调制信号失真 调幅波含三个不同的频率 第一项为调制前的激光振荡波 载频分量 第二项激光频率和调制频率之和 边频分量 第三项激光频率和调制频率之差 边频分量 3 调幅波的频谱分析 2 强度调制 1 定义 以调制信号去改变激光的光强 使光强按着调制信号的规律变化的过程 考虑经过光强调制以后 不失真 则平均光强选在I0 2 设 则光强调制系数为调制后的光强为 2 对的mp要求mp 1 比较理想的光强调制公式要求在实际应用中 为了得到较强的抗干扰效果 往往利用二次调制方式 即先将低频信号对一高频副载波进行频率调制 然后再用这个已调频波对光载波进行强度调制 使光波按副载波信号的变化而变化 这是因为在传输过程中 尽管大气感染波会直接叠加到光信号波上 但经调节后 其信息是包含在调频的副载波上 故其信息不会受到干扰 可以无失真地再现原来的信息 四 相位调制和频率调制 调相和调频 1 定义 以调制信号去改变激光振荡的相位 频率 使激光的相位 频率 按调制信号的规律变化的过程称相位 频率 调制 调频 调相 总相位 调频和调相以后使总相位 t 变化 按调制信号的规律变 因此两者可归为一类 两者的差别是实现方法不同 调相 调频 2 频谱调频和调相以后 总相位角按调制讯号的规律变化 激光的频率是时间的函数 根据付里叶分析 它是许多不同频率波形之和 以上面的为例 当时 当一定时 A0小 调制信号弱 五 脉冲调制与编码调制1 脉冲调制如果用光脉冲作为载波 这种载波受到调制信号的控制 使脉冲的幅度 位置 频率等随之发生变化而传递信息 2 脉冲调制的类型 脉冲调幅 PAM 脉冲强度调制 PIM 脉冲调频 PFM 脉冲调位 PPM 脉冲调宽 PWM 脉冲编码调制 PCM 脉冲编码调制 把模拟信号先变成电脉冲序列 进而变成代表信号信息的二进制编码 PCM数字信号 再对光载波进行强度调制来传递信息 要实现脉冲编码调制 必须经过抽样 量化 编码三个过程 抽样 把连续的信号波分割成不连续的脉冲波 用一定周期的脉冲列来表示 且脉冲的幅度与信号波的幅度相对应的 量化 把抽样后的脉幅调制波做分级取 整 处理 用有限个数的代表制取代抽样值的大小 这个过程叫做 量化 编码 把量化后的数字信号变换成相应的二进制代码的过程叫做 编码 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的数码 1 和 0 再将这一系列数字信号规律的电脉冲加到一个调制器上 以控制激光的输出 这种调制形式要求更宽的带宽并具有强抗干扰性 在数字光纤通信中应用广泛 一 电光调制器的理论基础利用晶体的电光效应 晶体光学中已经讲过 1 自然双折射 o光 e光2 电光效应如果在晶体中沿某一方向加一定电压 则晶体的折射率要发生相应的改变 因而晶体的双折射特性也要改变 电光效应 电光调制 强度调制 相位调制1 KDP纵向运用 LN横向运用2 调制器应注意的问题 1 2电光调制 二 纵向电光调制器晶体的运用方式两种 纵向运用 加场的方向和通光的方向都沿z方向 横向运用 加场的方向和通光方向垂直 1 纵向运用的结构和原理 对于KDP类晶体沿Z方向加场时 折射率椭球方程为通过l长的晶体时两束光的位相差 光强 当加在晶体上的电压V的改变使 从0到 之间变化 则 结论 利用调制信号控制加在晶体上的电压 使激光输出的强度按调制信号的规律变化 强度调制 2 调制器的工作原理调制电压和输出光强度之间的关系是输出的光强和调制电压并不是线性关系 波形失真 调制的目的 利用调制传递信息 如果在调制过程中波形失真 使调制的信号不能还原 达不到目的 半波电压 使光在晶体中分解的两束光的光程差为 2时所需要加的电压 或者说 使两束光的位相差为 时所加的电压 用V 或V 2表示 1 当晶体加以直流电压VD时 光的透过率I I0和VD的曲线不是线性关系 易发生畸变 在V 2附近有一段近似线性部分 波形畸变小 3 防止输出光强畸变的方法 如何保证 D 2 a 在晶体上加以V 2的直流电压缺点 工作点的稳定性差 b 在光路中加以1 4波片这是目前最简单的方法 当波片的快轴 x 慢轴 y 时 光通过1 4波片后产生的相位差为 2 附加相位差 当调制信号Vm较小时 当调制信号Vm比较大时 只能近似用贝塞尔函数展开输出光强包含高次谐波成分 说明 D不能完全消除波形失真 与Vm大小有关 为了防止波形失真 应使高次谐波的成分最小 Vm选取原则 1 尽可能低压运用 Vm尽可能小 有利于电路的调整安装 2 A3 A1 尽可能小 防止失真 3 要考虑调制深度的要求 定义 调制深度m表明调制信号的幅值在直流成分中的比例 m大 多次谐波成分大 波形畸变大m小 调制输出的失真小 但m太小 影响调制效果 甚至观察不到调制现象 达不到调制信息的目的 结论 在实际应用中 同时考虑失真度和调制度的要求 一般 Vm V 选择在 10 2 4 特点 优点 结构简单 工作稳定 无自然双折射的影响 和横向运用比较 偏振光的干涉装置 中间夹一块1 4波片 缺点 半波电压太高 三 横向电光调制器1 KDP类的横向运用 三种 现以KDP类的第一种运用方式为例进行讨论 由于强度调制中 影响输出光强的主要因素是 所以只讨论 P1的偏振方向和z 或y 成45o角 在zy 平面内 输出光强只与 有关 由于在z向加场 所以三个感应主轴的折射率和纵向运用相同 由于沿x 方向通光 入射光的振动方向和z成角 光在晶体中分解为沿z y 方向振动的两束光 e o光的折射率 这两束光通过晶体后的位相差为 第一项是与外加电场无关的晶体本身的自然双折射引起的相位延迟 这一项对调制器的工作没有作用 相反 当晶体温度变化时会增加附加的相位差 造成 随温度变化 工作不稳定 必须消除这种影响 第二项是外加电场作用产生的位相差 不仅与V有关 而且与晶体的尺寸l d有关 合理选择晶体的尺寸增大l d 则可降低晶体的半波电压V 横向运用的最大优点是半波电压比纵向运用低得多 消除自然双折射的结构 结论 若两块晶体的尺寸 性能以及受外界影响相同的话 则一束线偏振光通过组合器后 消除了自然双折射的影响 只与加的电压有关 这一点和纵向运用相同 2 LN LiNO3 晶体的横向运用KDP晶体的横向运用方式 其主要缺点是由于自然双折射的影响 造成了相位延迟 稳定性差 采取组合器的结构 虽然能消除自然双折射的影响 但却使结构复杂 加工困难 采用LN晶体的横向运用 既没有自然双折射的影响 又能降低半波电压 所以目前一般采用LN作横向运用晶体 当LN晶体沿y 或x 方向加场时 相应的感应折射率为 y向加场 感应主轴不动 x向加场 感应主轴转动45o 所以当沿y 或x 方向加场 z向通光时 进入晶体的光束要分解为沿x y x y 方向振动的两束光 两束光的相位差为 从上式可以看出 1 只与加在晶体上的电压V和晶体的尺寸有关 可改变晶体的尺寸 降低半波电压 2 不存在自然双折射的影响 因此可以得到广泛的应用 LN的最大缺点是光损伤功率密度低不能用于大功率密度的激光器 四 设计电光调制器时各参数的选择1 调制器的电性能光波通过晶体时产生的相位延迟为 只有在光波通过晶体的渡越时间 d nl c内 认为调制信号电压在晶体各处的分布相等 才能保证光波在各部分获得的相位延迟相同 调制信号频率越低则电压变化越慢 容易满足上式 一般使晶体的尺寸小于调制信号在晶体中的1 2波长 结论 1 为了提高调制效率 调制器的频率有一范围限制 调制器带宽 其带宽越宽越好 如果调制频率超过带宽 则采用行波调制器 允许 m d 2 0 9 2 调制器应损耗功率越小越好 要求晶体质量好 3 调制器的稳定性调制器包括晶体 驱动电源及晶体和驱动源阻抗匹配等问题 要求稳定可靠 2 各参数的选择 晶体质量 尺寸 运用方式 1 晶体的选择a 光学性能好 吸收和散射小 光损耗小 b 晶体的折射率均匀 n 10 4 cm 可以减小对 的影响 c 选择电光系数大的晶体 降低半波电压 d 晶体有较好的物理性能 硬度大 不易损坏 降低的V 2的方法 在纵向调制器中 采取几级晶体纵向串联进行电光调制 光学上串联 电学上并联 即一般选4 6块晶体 把晶体的x y轴逐块旋转90o 为了减小调制器的体积 使相邻两块晶体的加压方向相反 2 运用方式根据实际情况的要求 合理的选择运用方式 KDP的纵向运用 半波电压高 但结构简单 可以采取措施降低半波电压 LN的横向运用 半波电压低 但晶体易于损坏 适于中等功率的激光调制 原理简述如下 第一块晶体z向加电场 z向通光 第二块晶体z的负向加场 z向通光 必须使第二块晶体x y轴相对于第一块晶体旋转90o 使在第一块晶体中传播的快光在第二块晶体中仍然为快光 使 相加 在同样相位延迟时 在每一块晶体上加的电压为 3 调制电压为了防止失真 一般选择 在 10 2范围 Vm在 0 2 0 5 之间 4 晶体尺寸的确定包括晶体的长度和横截面积 在纵向运用中 半波电压与晶体的尺寸无关 一般选l 5mm 15mm A 满足通光孔径 横向电光调制器 一般使 1 3声光调制 声光调制的理论基础 声光调制和声光作用声光调制器声光调制器的设计考虑 一 声光效应定义 当光在建立起超声场的介质中传播时 由于光弹效应 光被介质中的超声波衍射或散射的现象 声光效应包含三方面的含义 1 在介质中必须存在超声场 2 光弹效应 当介质中有超声波传播时 由于超声波是弹性波 在介质中就产生了随时间和空间周期变化的弹性应变 因而介质中各点的折射率就会随着该点上的弹性应变而发生相应的改变 折射率的改变影响了光的传播特性 超声波 弹性波 弹性力 弹性应变 光的传播特性变化超声场存在 弹性应力 在晶体中 弹性应变 a 弹性波超声波是一种弹性波 纵向机械应力波 存在质点振动方向和波的传播方向关系问题 横波 质点振动方向和波的传播方向垂直 横波 光波纵波 质点振动方向和波的传播方向一致 声波 结论 介质中存在弹性波等于介质中存在时空周期变化的弹性应变 而介质中各点的折射系数或介电常数会随着该点的弹性应变发生相应的改变 3 光被介质中的超声波场衍射或散射当介质中存在超声波时 介质的折射率发生相应的改变 正弦相位光栅 光通过此种介质时 光的传播特性发生改变 光被介质衍射或散射 超声波 弹性力 弹性应变 正弦相位光栅 光衍射 光强 控制超声波强弱 2 折射率是时间和坐标的函数 因此光栅不是固定的 移动的速度是超声波的速度 vs 二 声光作用本节主要讨论光在超声波传播的介质中通过时衍射情况 声光作用 按照超声波的频率和声光互相作用的长度分成两种类型 喇曼 奈斯衍射和布拉格衍射 1 喇曼 奈斯衍射条件 1 超声波频率比较低 2 光线平行于声波面入射和声波传播方向垂直入射 3 超声波的宽度l比较小时 平面相位光栅声速比光速小的多 声波场的介质厚度l比较小 相当于一个平面相位光栅 超声波的频率比较低 光栅间距大 当平行光通过光栅时 产生多级衍射 各级衍射对称的分布在零级两侧 式中 光通过介质后相位变化的幅值 c各级光强不等 m越大 光强越小 图1 3 9图1 3 10 d在忽略介质对光的吸收损耗时各级衍射光强之和恒等于1 2 布拉格衍射 1 条件a 声波的频率f较高 b 声光相互作用长度L 光栅变成三维空间相位光栅 c 入射光不是垂直入射 而是与声波波面有一定角度 图1 3 11光通过介质时 相当于通过多个光栅 只产生0级或1级光 2 布拉格条件主要讨论入射光在斜入射时的情况 称布拉格条件 值满足一定条件 布拉格条件 讨论 简化条件 声波行波传播 把声波看成许多相距为 光栅宽度 的镜面 这些镜面部分反射 部分透射 行波的速度 在光通过介质的时间内 可以近似认为声波波面是静止的 分两步讨论a光线入射到同一镜面的反射情况 两束光的干涉情况设BC X AC BD是两衍射光的光程差 光在介质中的波长 对于x值并不是固定的 即当x是任意值时 上式都应成立 只有则 入射角和衍射角相等 b 光线入射在任意两个声波相位波面上入射光入射到两个不同的镜面上产生衍射 其两束光的光程差EF EG在上面已经推导 同一镜面的衍射角 两束光干涉的条件只能是产生一级衍射光 布拉格条件因此 只有入射角满足上式的光波 才能在的方向上进行干涉 产生极大值 式中 光在介质中的波长 光在真空中波长 声波波长 注意 因为衍射的本质是散射 所以其他方向并非完全没有光 只是由于互相干涉的结果 基本上相消而已 3 布拉格衍射光强分布公式根据推导 当入射光强为时 布拉格衍射的零级和一级衍射光强的表示式分别写成式中 光通过介质产生的附加相位幅值0级和1级光强主要由附加相位决定 注 上两式的推导 同学们可以参考英文 光电子导论 即IntroductiontoOpticalElectronics中第十二章的声光相互作用 由于涉及的理论较多 在这里不做详细推导 4 判定啦曼 奈斯和布拉格衍射的标准在讨论两种衍射条件时都是定性划分它们的范围 现在定量地讨论它们的条件 布拉格衍射条件 a 高 则小 光栅宽度小 b L大 c 光线以一定角度入射根据以上条件 则入射的光线在声光介质中走的路程长 并经过多个衍射光栅 因而发生多次衍射 因此布拉格是衍射的多光束发生干涉结果 设AB h根据布拉格衍射条件 光束在传播过程中通过多个 把布拉格条件带入上式 布拉格衍射的定量尺寸选择 在实际中一般选择啦曼 奈斯衍射 则至于布拉格和啦曼衍射取的中间部分 两种衍射都存在 以上两式是判定两种衍射的标准 长度是关键 1 4其他调制方法一 磁光调制 利用光的法拉弟效应制成的 利用有些晶体材料 如YIG钇铁石榴石 等在外加磁场作用下 可使通过它的线偏光的偏振面发生旋转 旋转的角度与沿光束方向的磁场强度H及晶体的通光长度成正比 式中 磁光系数 也称范德特常数 晶体的通光长度 磁场强度 利用调制信号控制磁场强度的变化 可以使光的偏振面发生相应的变化 光通过检偏器时 实现了光的调制 光的偏振面旋转的方向仅由磁场的方向决定 与光线传播方向的正逆无关 特点 需要功率低 范围损耗小 其他范围损耗太大 在该波长范围 可以制成调制器 开关 隔离器等 磁光晶体的物理性能受温度的影响小 不易潮解 调制电压低 图1 4 1图1 4 2麦克尔逊干涉仪调制 二 干涉调制原理 主要是利用麦克尔逊干涉仪的原理 它主要是利用反射镜M2把一束光分成两束光 通过改变两束光的光程差 实现光的干涉 干涉调制是把其中一个反射镜固定在压电元件上 把调制信号加到压电元件上 使M2在干涉仪中产生有规律的周期变动 从而使两束光的光程差产生有规律的变化 最后得到周期变化的干涉光强 实现光的调制 1 M3把入射光分成两束光 通过M1 M2反射 使两束光产生一定的光程差 2 把高频信号电压加在与M2相连的压电元件上 使M2振动 则M2的位置变化为 三 直接调制利用调制讯号直接控制激光