第一章电光调制与声光调制

1、第一章第一章 激光调制激光调制与偏转技术与偏转技术v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）一激光偏转技术（简单）一、调制一、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。1.1 概述概述二激光调制二激光调制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优 点：调制效率高。缺 点：a.由

2、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 Gl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：( )cos()cccce tAt( )( )cos()ccce tA tt( )( )A tAcKa t0( )cosma tAt0( )(cos)cos()mcce tAcKAtt调制讯号(2)调制系数：振幅的最大增量与振幅的平均

3、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A0max0AcAKAmin0AcAKAmaxminccAAAAAcAmA0KAA 0KcAmA0( )cos( )(1cos)cos()cos()coscos()cos()cos()cos()22mcmcccccmcccccccmcccmca tAte tAmttAtmttmmAtAtAt调幅波含三个不同的频率 ：(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。222200000020( )( )cos ()t( )( )(

4、 )( )cos ()ccccpppccI te tAtAIIIII tIK a tKI tIK a tt 瞬时光强设常数光强的最大值当光强受到调制时， 不再是常数，按调制信号的规律变化（ ）时间的函数设调制信号为a(t),则是比例系数则设 ，则光强调制系数为调制后的光强为：0( )sinma tAt0000()2()2ppK AImII光强最大增量光强平均值20( )(1sin)cos ()2pmccII tmtt（2）对的mp要求 mp 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

5、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。v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

6、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。v 式中 光通过介质后相位变化的幅值。v c各级光强不等。m越大，光强越小。 图1.3-9 图1.3-1022( )( )mmJvJv02n lv 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

7、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。220( )2( )1mJvJv 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 s i n2isv 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。v 行波的速度：v 在光通过介质的时间内，可以近似认为声波波面是静止的。v 分两步讨论a光线入射到同一镜面的反射情况。v 两束光的干涉情况设 BCX, ACBD是两衍射光的光程差, 光在介质中的波长。400700/svm s

8、di入射光的入射角,衍射光的衍射角cosiACxcosdBDxcoscosidixmi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v 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EFEG在上面已经推导。同一镜面的衍射角 dcoscos0ididi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

9、。EFsinsinsisiDE2sinsiiEFDEsin2iisdiBi0ins(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Introduction to Optical Electronics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。iI20cos ( )2iII21sin ( )2iII02nL4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

10、们的条件。布拉格衍射条件 sin,2iBs30012nn pS 322010sin ()sin ()2inIn plLSI a 高，则 小（光栅宽度小）， bL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 sfsBsl 2iBshlBtan.v 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v 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。2

11、34silllisl2isl21.4其他调制方法其他调制方法一、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。QVHLVLH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

12、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 1.2 4.5 m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0

13、sinmmdddt三、直接调制三、直接调制利用调制讯号直接控制激光器的泵浦电源来调制激光器的输出参数（一般激光强度），一般在半导体激光器中应用。GaAs输入电流大输出激光光强大输入电流小输出激光光强小且在通讯中，大部分应用半导体激光器（调制频率十千兆） 图1.4-3图1.4-41.加直流偏置Ib使其工作在线性区数字调制必须对信号进行抽样，量化“编码”变成矩形脉冲。目前数字通信发展快，因为它比模拟调制抗干扰能力强，对数字光通信设备的线性要求不高，可充分利用LD的输出功率，数字通信设备便于和脉冲编码调制（PCM）电话终端相连接，从而组成既能传输电话、彩色电视，又能传输计算机数据的多媒体综合通信系统

14、。第一章小结第一章小结调制：激光调制：利用要传递的信息作为调制讯号去改变激光的某一参数，使其参数按调制信号的规律变化过程，参数振幅、强度、相位、频率等。强度调制1.定义：利用调制信号去改变激光强度，使光强按调制信号的规律变化。2.方法电光调制：利用晶体的电光效应和偏光的干涉原理使变化20( )(1sin)cos2pmcII tmtt1pm 200011sin(1cos )(1cos)222VIIIIV一般情况下，和不是线性关系。只有在 处近似线性，选择工作点，加 波片在调制信号比较强时含有高次谐波成分为防此失真，消除高次谐波。综合考虑以上因素， 选在 之间纵向运用横向运用，（）加场向通光VnI

15、调制信号变实现光强调制2V=V14011 sin()2VIIV130112()sin2()sin32mmmmVVIJtJtIVV 212mmVVmVVmVV102声光调制调制信号电功率 换能器 （注意逆压电效应和关系） 驱动源 超声波 行波 驻波声光介质 声光效应 弹性应变 正弦相位光栅入射光 衍射光 衍射光强相应地变化（强度调制）喇曼奈斯衍射 多级光平面相位光栅布拉格衍射 2880sfd千赫sf2sPkp0( , )sin()ssn x tnnk xt 0( , )cossinssn x tnnk xt( , )x t( , )n x t0S 改变02n LV011,II I2( )mmIJsinism 2sil2is0I20cos2iII1I2212sinsin ()22iisLIIIM P