光学信号的调制 (1)

1、第第0808章章 光学信号的调制光学信号的调制8.2 8.2 光信号调制的基本原理光信号调制的基本原理8.3 8.3 光信号调制的基本方法光信号调制的基本方法8.4 8.4 调制信号的解调调制信号的解调8.1 8.1 光信号调制的概述光信号调制的概述8.1 8.1 光信号调制的概述光信号调制的概述光波是信息的载体，通常称为光波是信息的载体，通常称为光载波光载波。1. 1. 载波的特征参数？载波的特征参数？ 2. 2. 调制：一次调制和二次调制调制：一次调制和二次调制 3. 3. 二次调制的意义二次调制的意义 1.1.光载波的光载波的特征参数特征参数 人眼和探测器起作用的是光波的电场强度人眼和探

2、测器起作用的是光波的电场强度 00c o s ( 2)EEv t振幅振幅频率频率相位相位特征参数：特征参数： 光强、光强、振幅、频率、相位、振幅、频率、相位、 偏振方向偏振方向、传播方向传播方向， 20IE 光的强度光的强度 （辐通量辐通量） 光强光强是使用最为广是使用最为广泛的特征参数泛的特征参数2. 2. 调制：一次调制和二次调制调制：一次调制和二次调制 光学调制光学调制是指改变光载波的一个或者几个特征参数是指改变光载波的一个或者几个特征参数的过程。的过程。 特征参数：特征参数： 光强、光强、振幅、频率、相位、振幅、频率、相位、 偏振方向偏振方向、传播方向传播方向， 一次调制一次调制二次调

3、制二次调制 广义的广义的光学调制光学调制例例1.1.卫星遥感农作物产量卫星遥感农作物产量 地面植物反射太阳光的光谱，生长状况信息地面植物反射太阳光的光谱，生长状况信息 将信息将信息直接直接加载到光载波上的调制，称为加载到光载波上的调制，称为一次调制一次调制 例例2 2 光纤通信系统光纤通信系统 将声音、图像信息加载到光波上将声音、图像信息加载到光波上 人为地人为地按确定的规律变换载波信号，称为按确定的规律变换载波信号，称为二次调制二次调制例例3 3：利用调制光测量液体浓度：利用调制光测量液体浓度 液体浓度（信息）对光强参数的调制液体浓度（信息）对光强参数的调制 一次调制一次调制调制盘（确定时间

4、规律）对光强参数的调制为调制盘（确定时间规律）对光强参数的调制为 二次调制二次调制 二次调制二次调制的意义？的意义？声音、图像声音、图像加载信息加载信息抑制干扰抑制干扰改善品质改善品质8.1 8.1 光信号调制的概述光信号调制的概述 小结小结光波是信息的载体，通常称为光波是信息的载体，通常称为光载波光载波。光学调制光学调制是是指改变光载波的一个或者几个特征参数的过程。指改变光载波的一个或者几个特征参数的过程。 将信息将信息直接直接加载到光载波上的调制，称为加载到光载波上的调制，称为一次调制一次调制 人为地人为地按确定的规律变换载波信号，称为按确定的规律变换载波信号，称为二次调制二次调制 光电系

5、统中常用的调制光电系统中常用的调制大多是二次调制大多是二次调制20IE 光的强度光的强度 （辐通量）（辐通量） 光强光强是使用最为广是使用最为广泛的调制参数泛的调制参数第第0808章章 光学信号的调制光学信号的调制8.2 8.2 光信号调制的基本原理光信号调制的基本原理8.3 8.3 光信号调制的基本方法光信号调制的基本方法8.4 8.4 调制信号的解调调制信号的解调8.1 8.1 光信号调制的概述光信号调制的概述8.2 8.2 光信号调制的基本原理光信号调制的基本原理8.2.1 模拟调制模拟调制8.2.2 脉冲调制脉冲调制8.2.3 编码调制编码调制以光信号的以光信号的强度（强度（辐通量辐通

6、量）调制）调制为例讨论，适用为例讨论，适用于光波的于光波的振幅振幅、相位相位和和频率频率等参数的调制等参数的调制 8.2.1模拟调制模拟调制0m( )sin()tt0m( ) ( )sin ( ) ( )tV tV t tV t振幅调制振幅调制(AM) 频率调制频率调制(FM) 相位调制相位调制(PM) 又称为又称为连续波调制连续波调制线性调制（频谱线性调制（频谱的线性搬移）的线性搬移）非线性调制（产非线性调制（产生新的频率）生新的频率）1.振幅调制振幅调制(AM) 光载波调制波（信息）调幅波0m( )1( )sin()tmV tt 0m()sin()tt载波的包络变化载波的包络变化信息信息(

7、 )sin()V tt 例例. .利用调制光测量液体的浓度利用调制光测量液体的浓度 载波载波 信息信息 思考：思考：如果溶液的如果溶液的浓度逐步加大，调制浓度逐步加大，调制波形？波形？ m1mm0m( )1sin()sin()tmtt载波载波 信息信息 振幅振幅讨论：（讨论：（1） 调制指数调制指数m 对调幅波形的影响对调幅波形的影响0m()sin( )tt( )sin()V tt电学中的振幅调制电学中的振幅调制(AM) 载 波调制波调幅波信息信息 振幅调制：振幅调制：载波的包络变化载波的包络变化信息信息 00( )( )cos1( )cosAMccStAm ttmV t At( )( )(

8、)( ) sin()m tm t V tm tt 0( )m tmA调制调制指数指数0m( )1sin()sin()tmttmmm00( )( )cos1( )cosAMccStAm ttmV t At0( )m tmA 波形图由波形可以看出，当满足条件： 时，其包络与调制信号波形相同，因此用包络检波法很容易恢复出原 始调制信号。否则，出现“过调幅”现象。这时用包络检波将发生失真。但是，可以采用其他的解调方法，如同步检波。 0( )1m tmA0( )1m tmA0m( )1( )sin()tmV tt( )sin()V tt0m( )1sin()sin()tmtt0mm( )sin()1co

9、s()cos()2ttmtt载波载波 信息信息 振幅振幅单一频率调制信号单一频率调制信号 讨论讨论：（：（2）调幅对频谱的影响调幅对频谱的影响0mm( )sin()1cos()cos()2ttmtt调幅波频谱调幅波频谱( )sin()V tt信息信息“频率频率” 载波载波“频率频率” 信号变换信号变换频率搬移频率搬移 调幅波带宽调幅波带宽 B=2F5KHz2100Hz滤波器滤波器 调幅波频谱：调幅波频谱： 单一频率调制信号单一频率调制信号 n频谱图n由频谱可以看出，AM信号的频谱由：载频分量上边带下边带三部分组成。n上边带的频谱结构与原调制信号的频谱结构相同，下边带是上边带的镜像。 载频分量载

10、频分量上边带上边带下边带下边带调幅波带宽调幅波带宽 B=2F信号变换信号变换频率搬移频率搬移 多个频率调制信号多个频率调制信号 调幅波频谱：调幅波频谱： 启动虚拟仪器启动虚拟仪器LabVIEW8.6仿真信号仿真信号多个频率调制信号多个频率调制信号 振幅调制应用实例振幅调制应用实例 振幅调制应用实例振幅调制应用实例 2.频率调制频率调制(FM) 载波载波 信息信息 频率调制：频率调制：载波的频率变化载波的频率变化信息信息 载波的频率变化载波的频率变化信息信息 2.频率调制频率调制(FM) 0m( ) ( )sin ( ) ( )tV tV t tV t0 ( )( )V tV t0m00( )s

11、in( )tttV t dt00( )sinsin()mfttmtffmF-频率调制指数频率调制指数 mf 1 宽带调频宽带调频mf 1窄带窄带调频调频 【例【例】 设调制信号是fm =15 kHz的单频余弦信号，NBFM信号的载频f1 =200 kHz，最大频偏f1 =25 Hz；求NBFM信号的调频指数-3113251.67 1015 10mfmf讨论：讨论： 调制指数调制指数m 对调频波形的影响对调频波形的影响00( )sinsin()mfttmt000sincossin()cossinsin()mfftmttmtmf 1窄带窄带调频时调频时 cossin()1fmt000sincoss

12、in()mftmttsinsin()sin()ffmtmtmf 周期性辐射通量周期性辐射通量 （1） 静止目标像静止目标像交流信号，抑制交流信号，抑制噪声噪声 和光源波动和光源波动的影响；的影响； （2） 进行进行空间滤波空间滤波，抑制背景噪声；，抑制背景噪声；（3） 提供目标提供目标方位空间信息方位空间信息。2)2)光栅调制光栅调制光栅光栅是具有是具有周期性周期性空间结构或光学性能（如透射率、空间结构或光学性能（如透射率、反射率等）的光学元件。反射率等）的光学元件。 计量光栅计量光栅（空间周期（空间周期P ） 衍射光栅衍射光栅（空间周期（空间周期P ） 光栅莫尔条纹光栅莫尔条纹典型的计量光栅

13、典型的计量光栅结构：结构：小夹角小夹角主光栅主光栅-定光栅定光栅指示光栅指示光栅-动光栅动光栅t光栅莫尔条纹光栅莫尔条纹原理：原理：光通量明暗交替变化光通量明暗交替变化两光栅移动，莫尔条纹移动两光栅移动，莫尔条纹移动光栅位移信息光强信号光栅位移信息光强信号mcos(2)xP用用计量光栅计量光栅实现光通量实现光通量幅度幅度调制：调制： 莫尔条纹图案莫尔条纹图案 光栅每移动一个光栅每移动一个栅栅距距P，条纹就跟着，条纹就跟着移动一个条纹宽度移动一个条纹宽度B。mcos(2)xPxNP 2)2)光栅调制光栅调制光栅莫尔条纹光栅莫尔条纹典型的计量光栅典型的计量光栅结构：结构：数控机床中的光数控机床中的

14、光栅，根据光线在栅，根据光线在光栅中是反射还光栅中是反射还是透射分为反射是透射分为反射光栅和透射光栅。光栅和透射光栅。还可以按形状分还可以按形状分为圆光栅和长光为圆光栅和长光栅。栅。应用举例：应用举例：光栅光栅线位移传感器线位移传感器测量范围：测量范围： 100mm-3000mm 分分 辨辨 率：率： 10、 5、 1、 0.5、 0.1 m 主主( (标尺标尺) )光栅光栅-定光栅定光栅（长光栅）（长光栅）指示光栅指示光栅-动光栅动光栅（短光栅）（短光栅）刻线密度刻线密度 - 测量精度测量精度 ( 10、25、50、100、125线线/mm )直线透射式光栅直线透射式光栅1. 1. 组成组成

15、 由标尺光栅和光栅读数头两部分组成，由标尺光栅和光栅读数头两部分组成，光栅读数头包括光源、透镜、光电元件、指示光栅读数头包括光源、透镜、光电元件、指示光栅等。如图所示。光栅等。如图所示。 标尺光栅和指示光栅也可称为长光栅和标尺光栅和指示光栅也可称为长光栅和短光栅，它们的线纹密度相等。长光栅可安装短光栅，它们的线纹密度相等。长光栅可安装在机床的固定部件上（如机床床身），其长度在机床的固定部件上（如机床床身），其长度应等于工作台的全行程；短光栅长度较短，随应等于工作台的全行程；短光栅长度较短，随光栅读数头安装在机床的移动部件上。光栅读数头安装在机床的移动部件上。光栅位置检测装置的组成光栅位置检测装

16、置的组成1光源光源 2透镜透镜 3标尺光栅标尺光栅4指示光栅指示光栅 5光电元件光电元件尺身尺身安装孔 读数头 （与移动部件固定）可移动电缆2. 2. 工作原理工作原理 测量时，长短两光栅尺面相互平行地重叠在一测量时，长短两光栅尺面相互平行地重叠在一起，并保持起，并保持0.010.01至至0.1mm0.1mm的间隙，指示光栅相的间隙，指示光栅相对标尺光栅在自身平面内旋转一个微小的角度对标尺光栅在自身平面内旋转一个微小的角度。当光线平行照射光栅时，由于光的透射和。当光线平行照射光栅时，由于光的透射和衍射效应，衍射效应，在与两光栅线纹夹角在与两光栅线纹夹角的平分线相的平分线相垂直的方向上，会出现明

17、暗交替、间隔相等的垂直的方向上，会出现明暗交替、间隔相等的粗条纹粗条纹莫尔条纹。莫尔条纹。 两条暗带或明带之间的距离称为莫尔条纹的间两条暗带或明带之间的距离称为莫尔条纹的间距距B，若光栅的栅距为，若光栅的栅距为W，则，则 因为因为很小，则很小，则 由此可见，莫尔条纹的间距与光栅的栅距成正由此可见，莫尔条纹的间距与光栅的栅距成正比。比。 2sin2WB WB 莫尔条纹具有如下特点： （1）由上式可知，莫尔条纹的间距）由上式可知，莫尔条纹的间距B是光栅栅距是光栅栅距W的的1/，由于，由于很小（小于很小（小于10），故），故BW，即莫尔条纹具有放大作用。例如，当栅距为即莫尔条纹具有放大作用。例如，当

18、栅距为W=0.01，=0.001rad时，莫尔条纹的间距时，莫尔条纹的间距B=10。因此，不需要经过复杂的光学系统，就。因此，不需要经过复杂的光学系统，就能把光栅的栅距转换成放大了能把光栅的栅距转换成放大了1000倍的莫尔条纹倍的莫尔条纹的宽度，从而大大简化了电子放大线路，这是光的宽度，从而大大简化了电子放大线路，这是光栅技术独有的特点。栅技术独有的特点。（2）莫尔条纹的变化规律）莫尔条纹的变化规律 长短两光栅相对移动一个栅距长短两光栅相对移动一个栅距W，莫尔条纹移动，莫尔条纹移动一个条纹间距一个条纹间距B，即光栅某一固定点的光强按明，即光栅某一固定点的光强按明暗暗明规律交替变化一次。光电元件

19、只要读出明规律交替变化一次。光电元件只要读出移动的莫尔条纹条纹数，就知道光栅移动了多少移动的莫尔条纹条纹数，就知道光栅移动了多少栅距，从而也就知道了运动部件的准确位移量。栅距，从而也就知道了运动部件的准确位移量。Question 如何解决光栅移动时的辨向？如何解决光栅移动时的辨向？3. 光栅的辨向与信号处理光栅的辨向与信号处理 为了既能计数，又能判别工作为了既能计数，又能判别工作台移动的方向，如图所示的光台移动的方向，如图所示的光栅用了栅用了4 4个光电元件。每个光电个光电元件。每个光电元件相距四分之一栅距（元件相距四分之一栅距（W/4W/4）。）。当指示光栅相对标尺光栅移动当指示光栅相对标尺

20、光栅移动时，莫尔条纹通过各个光电元时，莫尔条纹通过各个光电元件的时间不一样，光电元件的件的时间不一样，光电元件的电信号虽然波形一样，但相位电信号虽然波形一样，但相位相差相差1/41/4周期。根据各光电元件周期。根据各光电元件输出信号的相位关系，就可确输出信号的相位关系，就可确定指示光栅移动的方向。定指示光栅移动的方向。 光敏元件A、B、A、B的间距是1/4纹距。 A、A为一组差动信号，B、B为一组差动信号，相位差为180度。差动信号提高了系统的抗干扰能力。 A和B两组信号相位差为90度，用于辩向。根据正弦波信号周期的根据正弦波信号周期的数目可得出被测对象的数目可得出被测对象的位移；位移；根据正

21、弦波信号的频率根据正弦波信号的频率可得被测对象的速度；可得被测对象的速度；根据根据A A、B B两相的相位超两相的相位超前滞后关系可判断被测前滞后关系可判断被测对象的移动方向。对象的移动方向。 光栅在数控车床上的安装位置光栅在数控车床上的安装位置光栅在数控镗铣床上的安装位置光栅在数控镗铣床上的安装位置3. 3. 光电子调制光电子调制1 1）电光调制）电光调制 2 2）声光调制）声光调制3 3）磁光调制）磁光调制0 0 基本概念基本概念 8.3.1 8.3.1 光信号强度的调制光信号强度的调制是指某些晶体在电场作用下具有的是指某些晶体在电场作用下具有的双折射效应双折射效应，其双折射效应的其双折射

22、效应的大小与电场强度大小与电场强度有关。有关。(1)(1) 电光效应电光效应o光光e光光光轴是指某些晶体在电场作用下具有的双折射效应，是指某些晶体在电场作用下具有的双折射效应，其双折射效应的大小与电场强度有关。其双折射效应的大小与电场强度有关。(1)(1) 电光效应电光效应3632oUnUU泡克耳斯泡克耳斯（Pockels）效应）效应 U施加在电光晶体上的电压施加在电光晶体上的电压 U半波电压半波电压0I20IP偏振片偏振片20II (2)(2) 偏振元件偏振片偏振元件偏振片若入射的是自然光若入射的是自然光起偏器起偏器0IIP若入射的是线偏光若入射的是线偏光检偏器检偏器偏振片偏振片P0AA20

23、0coscosIIAA(2)(2) 偏振元件偏振片偏振元件偏振片线偏光线偏光经过经过1/41/4波片波片eAoAA22sincosAAAAoe(3)(3) 1/4波片波片1 1） 电光调制电光调制电光效应电光效应 是指某些晶体在电场的作用下，具有是指某些晶体在电场的作用下，具有双双折射效应折射效应，其双折射效应的大小与电场强度有关，其双折射效应的大小与电场强度有关电光调制器电光调制器 是指利用晶体的电光效应制成的调制器是指利用晶体的电光效应制成的调制器调制频率调制频率10GHz ， 理论上可达理论上可达120GHz 3. 3. 光电子调制光电子调制光强度调制光强度调制基本思路：基本思路：电光调

24、制器电光调制器 输入光输入光（恒定强度）（恒定强度） 输出光输出光（交变强度）（交变强度） 变化的电场变化的电场（10GHz）1 1） 电光调制电光调制起起偏偏器器 输入光输入光 输出光输出光检检偏偏器器P1P2P1P2A 线偏振光振幅线偏振光振幅 为零为零起偏器和检偏器起偏器和检偏器相互正交相互正交，无输出光无输出光 1 1） 电光调制电光调制o光和光和e光之间产生光之间产生附加相位差附加相位差，有输出光，有输出光起起偏偏器器 输出光输出光检检偏偏器器P1P2P1P2AA0Ae不为零不为零1 1） 电光调制电光调制电光调制电光调制原理：原理： 3632oUnUU附加相位差附加相位差输出光强输

25、出光强与与输入光强输入光强之比之比（透过率）（透过率）)2(sin)()(2 inIoutIQuestion 如果电光晶体上施加的电压不是直流，而如果电光晶体上施加的电压不是直流，而是一正弦调制电压，则？是一正弦调制电压，则？3632oUnUU)2(sin)()(2 inIoutImm(sin) t mmsin()UUt输出非线性！输出非线性！解决办法：解决办法：2总相位差总相位差3632oUnUU222()/2sin ()()2I outI in3632onU输出光强度调制输出光强度调制mm(sin) t 2mmmmsin()()sin ( )24sinsin()12tI outI intm

26、msin()UUt2()/2sin ()()2I outI in1 1） 电光调制电光调制mmsinsin()tmmmm()sin()1()2I outtI in透射透射光强光强受到受到了信号电压的了信号电压的调制调制 ！mm()sin()1()2I outtI in电光调制器电光调制器小结小结原理：原理： 3632oUnUU22附加相位差附加相位差电光调制器电光调制器小结小结调制频率调制频率10GHz10GHz，理论上可达，理论上可达120GHz 120GHz 可以作成几乎没有惯性的可以作成几乎没有惯性的光阀光阀 优点：优点： 缺点：缺点： 透光比（光传输比）小于透光比（光传输比）小于1 1

27、 若全透，则半波电压高（几千伏）若全透，则半波电压高（几千伏） 3632oUnUU)2(sin)()(2 inIoutI (1) (1) 声光效应声光效应 (2) (2) 声光效应的两种类型声光效应的两种类型 (3) (3) 声光调制器声光调制器 3. 3. 光电子调制光电子调制2 2） 声光调制（声光调制（AOM, Acousto-optical Modulators） (1) 声光效应声光效应 当声波在介质中传播时，会引起介质密度（折当声波在介质中传播时，会引起介质密度（折射率）发生疏密交替的射率）发生疏密交替的周期性变化周期性变化声光栅声光栅（弹光效应）（弹光效应）衍射光栅衍射光栅声光栅

28、声光栅行波行波声光栅栅声光栅栅面在空间面在空间移动移动 驻波驻波声光栅固声光栅固定定不移动不移动 当光波通过当光波通过声光栅声光栅时，衍射光的强度、频率、方向时，衍射光的强度、频率、方向等随超声场变化等随超声场变化声光效应。声光效应。喇曼奈斯衍射：喇曼奈斯衍射： 布拉格衍射：布拉格衍射： 条件：条件：超声波频率较超声波频率较低低（10MHz），声光作用长，声光作用长度度L较小较小，光束，光束垂直垂直声波传声波传输方向输方向条件：条件：超声波频率较超声波频率较高高、声光、声光作用长度作用长度L较大较大，光束与声波波，光束与声波波面间以一定的角度面间以一定的角度斜入射斜入射 。入。入射角与衍射角相

29、等射角与衍射角相等 (2) 两种声光效应两种声光效应 喇曼奈斯（喇曼奈斯（Raman-NathRaman-Nath）衍射）衍射 布拉格（布拉格（BraggBragg）衍射：）衍射： 特点：特点：平面光栅平面光栅，多级衍，多级衍射，射，零级光最强零级光最强，其他级衍，其他级衍射光对称地分布在零级光两射光对称地分布在零级光两侧，光强依次递减。侧，光强依次递减。 特点：特点：体光栅体光栅，只出现，只出现零级和一级衍射光零级和一级衍射光;超声场超声场足够强，足够强，入射能量几乎入射能量几乎（可达（可达97）全部转移到）全部转移到1级级（1级）级）布拉格声光衍射布拉格声光衍射光能利用率高，因而大部分调制

30、器均光能利用率高，因而大部分调制器均采用行波声场的采用行波声场的布拉格型声光调制器布拉格型声光调制器！ （3 3）声光调制器）声光调制器衍射光衍射光强度调制强度调制衍射光频率调制衍射光频率调制衍射光方向调制衍射光方向调制应用：应用：(3)(3)声光调制器声光调制器衍射光衍射光强度调制强度调制布拉格型声光调制器布拉格型声光调制器 21isin ( )2II1 1级（或级（或1 1级）光输出级）光输出IiI1s P附加相移(3)(3)声光调制器声光调制器衍射光衍射光强度调制强度调制布拉格型声光调制器布拉格型声光调制器 输入图像、声音信号输入图像、声音信号强度调制光信号强度调制光信号10.5sinm

31、iItI1ii0.5sinmIIIt21isin ( )2II工作点上移工作点上移衍射光频率调制衍射光频率调制衍射光方向调制衍射光方向调制衍射光方向调制衍射光方向调制8.3 光信号调制的基本方法光信号调制的基本方法可调参数：可调参数： 光强、光强、振幅、频率、相位、振幅、频率、相位、 偏振方向偏振方向、传播方向传播方向， 8.3.2 光信号相位的调制光信号相位的调制 8.3.1 光信号光信号强度强度的调制的调制 8.3.3 光信号光信号频率频率的调制的调制 8.3.4 光信号光信号偏振偏振的调制的调制 8.3.2 光信号相位的调制光信号相位的调制 1. 电光相位调制电光相位调制2. 光学干涉仪

32、光学干涉仪可实现相位调制的常见方法可实现相位调制的常见方法相位变化：相位变化： =2 nL/0 012()ddnn dLL dFdFL dFF为被测参量为被测参量 单位长度光路内由被测参量引起的相位变化：单位长度光路内由被测参量引起的相位变化： ctftt022 1. 电光相位调制电光相位调制xxnLc xznDE 可以实现对可以实现对单束单束相干光波相位的调制相干光波相位的调制 L附加相位差附加相位差Vx y 2. 光学干涉仪光学干涉仪可以实现可以实现两束两束以上相干光波相位差的调制以上相干光波相位差的调制 相位变化：相位变化： =2 nL/0 012()ddnn dLL dFdFL dFF

33、为被测参量为被测参量 干涉条件：频率相同、偏振相同、相位差恒定干涉条件：频率相同、偏振相同、相位差恒定迈克尔逊干涉仪迈克尔逊干涉仪（MichelsonMichelson） 吉曼干涉仪吉曼干涉仪Gell-Mann Gell-Mann 法布里珀罗法布里珀罗FabryFabry-Perot-Perot光学干涉仪光学干涉仪（空气空气光程）光程）光纤式干涉仪光纤式干涉仪（光纤光纤光程）光程）光纤传感器光纤传感器等倾干涉图样示意图等倾干涉图样示意图等厚干涉图样示意图等厚干涉图样示意图 基于基于Mach-Zehnder结构的电光效应光开关结构的电光效应光开关 8.3.3 光信号频率的调制光信号频率的调制 工

34、程上常采用的频率调制技术大致三种：工程上常采用的频率调制技术大致三种： 运动参量调频运动参量调频固定频移固定频移直接光频调制直接光频调制可调参数：可调参数： 光强、振幅、光强、振幅、频率频率、相位、相位、 偏振方向、传播方向，偏振方向、传播方向， 1.运动参量调频运动参量调频1 1）光学多普勒（）光学多普勒（DopplerDoppler）效应和运动差频）效应和运动差频2 2）萨格纳克（）萨格纳克（SagnacSagnac）效应和转动差频）效应和转动差频vv光频变化与线速度：光频变化与线速度：光频变化与角速度：光频变化与角速度：运动物体能改变入射于其上的运动物体能改变入射于其上的光波频率光波频率

35、的现象称作的现象称作光学多普勒效应光学多普勒效应。1.运动参量调频运动参量调频1 1）光学多普勒效应和运动差频）光学多普勒效应和运动差频运动物体能改变入射于其上的运动物体能改变入射于其上的光波频率光波频率的现象称作的现象称作光学多普勒效应光学多普勒效应。频频 移：移：s0s01vvv(rr ) 多普勒效应多普勒效应v光（电磁波）的多普勒效应计算公式分为以下三种：光（电磁波）的多普勒效应计算公式分为以下三种： （a）纵向多普勒效应）纵向多普勒效应（即波源的速度与波源与接收器的连线共线）：（即波源的速度与波源与接收器的连线共线）： 其中其中v为波源与接收器的相对速度。当波源与观察者接近时，为波源与

36、接收器的相对速度。当波源与观察者接近时，v取正，称取正，称为为“紫移紫移”或或“蓝移蓝移”；否则；否则v取负，称为取负，称为“红移红移”。（b）横向多普勒效应）横向多普勒效应（即波源的速度与波源与接收器的连线垂直）：（即波源的速度与波源与接收器的连线垂直）： （c）普遍多普勒效应）普遍多普勒效应（多普勒效应的一般情况）：（多普勒效应的一般情况）：其中其中=v/c，为接收器与波源的连线到速度方向的夹角。纵向与横向多为接收器与波源的连线到速度方向的夹角。纵向与横向多普勒效应分别为普勒效应分别为取取0或或/2时的特殊情况时的特殊情况2/1 ccff 2/121 ff cos112/12 ff特殊地，

37、特殊地， rs-r0 2 v 多普勒频移的大小等于散射物体的运动速度在多普勒强度方向上的分量和入射光波长的比值： 频移数量级：频移数量级：例如，例如，0.4880m的氩离子激光，的氩离子激光，8.5o，被测流速，被测流速264m/s， v 77MHz当r0和rs相对v对称分布并且满足对称分布并且满足09 0222vsin2 2）萨格纳克（）萨格纳克（SagnacSagnac）效应和转动差频）效应和转动差频 当封闭的光路相对于惯性空间有一转动角速度当封闭的光路相对于惯性空间有一转动角速度时，时，顺时针顺时针光路和光路和逆时针逆时针光路之间将形成与转速光路之间将形成与转速成正比的光程差成正比的光程

38、差LL，其数值满足关系，其数值满足关系 闭合光路的闭合光路的正正反向光路光程差随转速改变的现象反向光路光程差随转速改变的现象-萨格纳克效应萨格纳克效应。 L(4A/c)24L222RARRtRCC2 2）萨格纳克效应和转动差频）萨格纳克效应和转动差频讨论：讨论：用萨格纳克效应用萨格纳克效应 测量测量地球自转速度地球自转速度L(4A/c)地球自转 =150/小时 =0.6328m 2600 300Am实验不可能！（与足球场比较）0.1744Lm 不易观察260 30Am4 0 0L -更难观察更难观察！光程差法：光程差法：L ？2)2)萨格纳克效应和转动差频萨格纳克效应和转动差频L ？v反射镜组

39、成激光谐振腔反射镜组成激光谐振腔 -环形激光器环形激光器 频率与腔长的关系：频率与腔长的关系：vLvL4 AvKL L(4A/c)光频差法：光频差法：1.运动参量调频运动参量调频激光器激光器 对于频率信号，电子设备可以对于频率信号，电子设备可以敏感到敏感到0.005Hz，可用仪器准确，可用仪器准确测出。测出。环形激光器环形激光器 光学差频检测装置 激光陀螺激光陀螺4AvKL -测角速度测角速度 -测角度测角度 04tANdtL国产国产激光陀激光陀螺螺测量角速测量角速度的精度优度的精度优于于0.01o/hr 激光陀螺激光陀螺 -在捷联惯导系统应用在捷联惯导系统应用02年珠海航展惯导产品年珠海航展

40、惯导产品俄罗斯改进空地制导武器俄罗斯改进空地制导武器 中国激光陀螺捷联惯导系统中国激光陀螺捷联惯导系统 2. 固定频移固定频移利用利用光学光学和和光电子学光电子学等方法可制成频率偏移器件等方法可制成频率偏移器件光谱在外加磁场下发生分裂。 塞曼效应：塞曼效应：23MHz 几种方法的频移几种方法的频移对比对比：声光效应：声光效应：100MHz，变换效率，变换效率80 旋转波片：旋转波片： 23kHz，变换效率，变换效率90 旋转光栅：旋转光栅： 20MHz，变换频率，变换频率20 2. 固定频移固定频移(2)旋转波片激光频移旋转波片激光频移 频移受限在频移受限在2 3kHz以下以下 /4 /4波片

41、：波片： /2/2波片：波片： 线偏振线偏振激光通过激光通过/4/4波片波片1 1后输出后输出圆偏振光圆偏振光 /4 /4波片光轴波片光轴 P P 线偏振激光矢量线偏振激光矢量-450 线偏振激光通过半波线偏振激光通过半波片后输出片后输出偏振面转过偏振面转过22角度角度 半波片光轴半波片光轴(2)(2)旋转波片激光频移旋转波片激光频移 半波片光轴半波片光轴 半波片光轴半波片光轴圆偏振光圆偏振光以以旋转旋转线偏振光线偏振光角频率角频率旋转旋转半波片，输出半波片，输出园偏振光频率园偏振光频率+2线偏振激光通过半波片后线偏振激光通过半波片后 输出偏振面转过输出偏振面转过2角度角度(2)(2)旋转波片激光频移旋转波片激光频移 线偏振激光线偏振激光圆偏振光圆偏振光+2+2圆偏振光圆偏振