光电子第三章

1、光束的调制和扫描光束的调制和扫描第第3章章 3.1 光束调制原理光束调制原理 3.2 电光调制电光调制 3.3 声光调制声光调制 3.4 磁光调制磁光调制 3.5 直接调制直接调制 3.6 光束扫描技术光束扫描技术 3.7 空间光调制器空间光调制器 由激光由激光“携带携带”的信息的信息(包括语言、文字、图像、符号等包括语言、文字、图像、符号等)通通过一定的传输通道过一定的传输通道(大气、光纤等大气、光纤等)送到接收器，再由光接收器送到接收器，再由光接收器鉴别并还原成原来的信息。鉴别并还原成原来的信息。这种将信息加载于激光的过程称为这种将信息加载于激光的过程称为调制调制。 完成这一过程的装置称为

2、调制器完成这一过程的装置称为调制器(Modulator）。其中激光）。其中激光称为载波；起控制作用的低频信息称为调制信号。称为载波；起控制作用的低频信息称为调制信号。 3.1 光束调制原理光束调制原理 激光是一种频率更很的电磁波，它具有很好相干性，因而激光是一种频率更很的电磁波，它具有很好相干性，因而象以往电磁波（收音机、电视等）一样可以用来作为传递信息象以往电磁波（收音机、电视等）一样可以用来作为传递信息的载波。的载波。解调解调（demodulate)：调制的反过程，把调制信号还原成原：调制的反过程，把调制信号还原成原来的信息。来的信息。外调制：外调制：是指激光形成之后，在激光器外的光路上放

3、置调制是指激光形成之后，在激光器外的光路上放置调制器，用调制信号改变调制器的物理特性，当激光通过调制器器，用调制信号改变调制器的物理特性，当激光通过调制器时，就会使光波的某参量受到调制。时，就会使光波的某参量受到调制。外调制方便，且比内调的调制速率高（约一个数量级），调外调制方便，且比内调的调制速率高（约一个数量级），调制带宽要宽得多，故倍受重视。制带宽要宽得多，故倍受重视。内调制：内调制：是指加载调制信号是在激光振荡过程中进行的，即是指加载调制信号是在激光振荡过程中进行的，即以调制信号去改变激光器的振荡参数，从而改变激光输出特以调制信号去改变激光器的振荡参数，从而改变激光输出特性以实现调制。

4、性以实现调制。根据调制器和激光器的相对关系，可以分为根据调制器和激光器的相对关系，可以分为内调制和外调制内调制和外调制)cos()(cccctAtE振幅cA角频率c相位角c激光光波的电场强度是：激光光波的电场强度是： 激光调制按其调制的性质可以分为激光调制按其调制的性质可以分为调幅、调频、调相及调幅、调频、调相及调强等调强等。 Am 和和 m 分别是调制信号的振幅和角频率分别是调制信号的振幅和角频率.振幅调制就是载波的振幅随着调制信号的规律而变化的振振幅调制就是载波的振幅随着调制信号的规律而变化的振荡，简称荡，简称调幅调幅。) 11 . 3()cos()(cccctAtE)21 . 3(cos

5、)(tAtamm设激光载波的电场强度如：设激光载波的电场强度如：如果调制信号是一个时间的余弦函数，即：如果调制信号是一个时间的余弦函数，即： 3.1.1 振幅调制振幅调制 当进行激光振幅调制时，当进行激光振幅调制时，(3.1-1)式中的激光振幅式中的激光振幅 Ac 不再是不再是常量，而是与调制信号成正比。常量，而是与调制信号成正比。其调幅波的表达式为：其调幅波的表达式为： 利用三角公式：利用三角公式： 得：得： cmccacmccaccctAmtAmtAtE)(cos2)(cos2)cos()()cos(cos1)(ccmacttmAtE(3.1-3)cos()cos(21coscos(3.1

6、-4)称为调幅系数。称为调幅系数。cmaaAAkm 3.1.1 振幅调制振幅调制m2调调幅幅波波频频谱谱2caAmmccmc2caAmcA调幅波的频谱是由三个频率成分组成的。调幅波的频谱是由三个频率成分组成的。第一项是第一项是载频分量载频分量；第二、三项是因调制而产生的新分量，称为第二、三项是因调制而产生的新分量，称为边频分量边频分量 。cmccacmccaccctAmtAmtAtE)(cos2)(cos2)cos()(3.1.1 振幅调制振幅调制调频或调相就是光载波的频率或相位随着调制信号的变化规律调频或调相就是光载波的频率或相位随着调制信号的变化规律而改变的振荡。因为这两种调制波都表现为总

7、相角而改变的振荡。因为这两种调制波都表现为总相角 (t) 的变化，的变化，因此统称为因此统称为角度调制角度调制。 )5 . 1 . 3()()()(takttfccc 不再是常数，而是随调制信号而变化，即：不再是常数，而是随调制信号而变化，即： )cos()(cccctAtE对于调频而言对于调频而言3.1.2 频率调制和相位调制频率调制和相位调制调频和调相调频和调相若调制信号是余弦函数，则调频波总相角为：若调制信号是余弦函数，则调频波总相角为： ) 6 . 1 . 3(sin)cos()()()()(cmfcctmmfcctfcctfccttmtdtAktdtaktdtakdtt其中其中 称为

8、调频系数，称为调频系数，kf 称为比例系数。称为比例系数。mmffAkm则调制波的表达式为：则调制波的表达式为： )7 .1 .3()sincos()(cmfcctmtAtE3.1.2 频率调制和相位调制频率调制和相位调制调频和调相调频和调相式中，式中， 称为调相系数。称为调相系数。mAkmtAkttakttmmcccccos)()(3.1.8)则调相波的表达式为：则调相波的表达式为： )coscos()(cmcctmtAtE(3.1.9)cos()(cccctAtE对于调相而言，对于调相而言，不再是常数，而是随调制信号而变化，即：不再是常数，而是随调制信号而变化，即： c3.1.2 频率调制

9、和相位调制频率调制和相位调制调频和调相调频和调相由于调频和调相实质上最终都是调制总相角，因此可写成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统一的形式 利用利用sinsincoscos)cos(cmcctmtAtEsincos)(（3.1.10）)sinsin(sin()sincos(cos()()tmttmtAtEmccmccc(3.1.11)三角公式展开三角公式展开(3.1.10)式，得：式，得：3.1.2 频率调制和相位调制频率调制和相位调制调频和调相调频和调相将式中将式中)sinsin()sincos(tmtmmm和1)2cos()(2)()sincos(20ntnm

10、JmJtmmnm112) 12(sin)(2)sinsin(nmnmtnmJtm知道了调制系数知道了调制系数m，就可从贝塞尔函数表查得各阶贝塞尔，就可从贝塞尔函数表查得各阶贝塞尔函数的值。函数的值。两项按贝塞尔函数展开：两项按贝塞尔函数展开：3.1.2 频率调制和相位调制频率调制和相位调制调频和调相调频和调相将以上两式代入将以上两式代入(3.1.11) 式利用三角函数关系式：式利用三角函数关系式： )cos()cos(21sinsincmcncmcncccccmccmccmccmcccctnntnmJAtmJAtmJtmJtmJtmJtmJAtE)(1cos) 1()cos()()cos()(

11、)2(cos)()2(cos)()(cos)()(cos)()cos()()(022110)cos()cos(21coscos(3.1.12)可得：可得：3.1.2 频率调制和相位调制频率调制和相位调制调频和调相调频和调相 可见，在单频正弦波调制时，其角度调制波的频谱是由可见，在单频正弦波调制时，其角度调制波的频谱是由光载频与在它两边对称分布的无穷多对边频所组成的。各边光载频与在它两边对称分布的无穷多对边频所组成的。各边频之间的频率间隔是频之间的频率间隔是 , 各边频幅度的大小各边频幅度的大小 由贝塞尔由贝塞尔函数决定。函数决定。 m)(mJncmcncmcncccctnntnmJAtmJAt

12、E)(1cos) 1()cos()()cos()()(03.1.2 频率调制和相位调制频率调制和相位调制调频和调相调频和调相0.770.440.110.02m6mc角度调制波的频谱图角度调制波的频谱图 1fm例题：如下图是例题：如下图是m=1时的角度调制波的频谱。时的角度调制波的频谱。若调制信号不是单频正若调制信号不是单频正弦波弦波, 则其频谱将更加复则其频谱将更加复杂。另外，当角度调制杂。另外，当角度调制系数较小（即系数较小（即m1）时）时，其频谱与调幅波有着，其频谱与调幅波有着相同的形式。相同的形式。3.1.2 频率调制和相位调制频率调制和相位调制调频和调相调频和调相 强度调制是光载波的强

13、度强度调制是光载波的强度(光强光强)随调制信号规律而变化的随调制信号规律而变化的激光振荡激光振荡。激光调制通常多采用强度调制形式，这是因为接收器激光调制通常多采用强度调制形式，这是因为接收器(探测探测器器)一般都是直接地响应其所接收的光强度变化的缘故。一般都是直接地响应其所接收的光强度变化的缘故。 激光的光强度定义为光波电场的平方，其表达式为激光的光强度定义为光波电场的平方，其表达式为(光波光波电场强度有效值的平方电场强度有效值的平方): )13. 1 . 3)(cos)()(222（ccctAtEtI3.1.3 强度调制强度调制将其代入上式将其代入上式, 并令并令 )(cos)(12)(22

14、ccicttakAtIik)cos()(tAtammimimAk)(coscos12)(22ccmicttmAtI于是，强度调制的光强表达式可写为于是，强度调制的光强表达式可写为 : :(3.1.14)强度比例系数强度比例系数设调制信号是单频余弦波设调制信号是单频余弦波m光强调制波的频谱可用前面所述类似的方法求得，但其结果与光强调制波的频谱可用前面所述类似的方法求得，但其结果与调幅波的频谱略有不同，其频谱分布除了载频及对称分布的两调幅波的频谱略有不同，其频谱分布除了载频及对称分布的两边频之外，还有低频边频之外，还有低频 和直流分量。和直流分量。(3.1.15)( (称为强度调制系数称为强度调制

15、系数) )则则3.1.3 强度调制强度调制I(t)t调制信号载波 强度调制3.1.3 强度调制强度调制3.1.4 脉冲调制脉冲调制 以上几种调制形式所得到的调制波都是一种以上几种调制形式所得到的调制波都是一种连续振荡连续振荡的波的波, 称为称为模拟式调制模拟式调制。另外。另外, 在目前的光通信中还广泛采用在目前的光通信中还广泛采用一种在一种在不连续状态不连续状态下进行调制的下进行调制的脉冲调制和数字式调制脉冲调制和数字式调制(也称也称为脉冲编码调制为脉冲编码调制)。它们一般是先进行电调制（模拟脉冲调制。它们一般是先进行电调制（模拟脉冲调制或数字脉冲调制）或数字脉冲调制）, 再对光载波进行光强度

16、调制。再对光载波进行光强度调制。 脉冲调制是用一种间歇的周期性脉冲序脉冲调制是用一种间歇的周期性脉冲序列作为载波，这种载波的某一参量按调制信列作为载波，这种载波的某一参量按调制信号规律变化的调制方法。号规律变化的调制方法。 先用模拟调制信号对一电脉冲序列的某参先用模拟调制信号对一电脉冲序列的某参量量(幅度、宽度、频率、位置等幅度、宽度、频率、位置等)进行电调制，进行电调制，使之按调制信号规律变化，成为已调脉冲序使之按调制信号规律变化，成为已调脉冲序列，再用已调电脉冲序列对光载波进行强度列，再用已调电脉冲序列对光载波进行强度调制，调制， 就可以得到相应变化的光脉冲序列。就可以得到相应变化的光脉冲

17、序列。周期脉冲序列载波周期脉冲序列载波3.1.4 脉冲调制脉冲调制(a) (a) 调制信号调制信号(b) (b) 脉冲幅度调制脉冲幅度调制(c) (c) 脉冲宽度调制脉冲宽度调制(d) (d) 脉冲频率调制脉冲频率调制(e) (e) 脉冲位置调制脉冲位置调制图图3 3 脉冲调制形式脉冲调制形式3.1.4 脉冲调制脉冲调制电光调制的物理基础是电光调制的物理基础是电光效应电光效应，即某些晶体在外加电场，即某些晶体在外加电场的作用下，其折射率将发生变化，当光波通过此介质时，的作用下，其折射率将发生变化，当光波通过此介质时，其传输特性就受到影响而改变，这种现象称为电光效应。其传输特性就受到影响而改变，

18、这种现象称为电光效应。3.2 电光调制电光调制3.2.1 电光强度调制电光强度调制1. 纵向电光调制（纵向电光调制（光束方向与电场方向一致光束方向与电场方向一致） 电光晶体电光晶体(KDP)置于两个成正交的偏振器之间，其中起偏器置于两个成正交的偏振器之间，其中起偏器P1的偏振方向的偏振方向平行于电光晶体的平行于电光晶体的x轴，检偏器轴，检偏器P2的偏振方向平行于的偏振方向平行于y轴，当沿晶体轴，当沿晶体z轴方向加轴方向加电场后，它们将旋转电场后，它们将旋转45o变为感应主轴变为感应主轴x,y。因此，沿。因此，沿z轴入射的光束经起偏器轴入射的光束经起偏器变为平行于变为平行于x轴的线偏振光，进入晶

19、体后轴的线偏振光，进入晶体后(z=0)被分解为沿被分解为沿x和和y方向的两个分方向的两个分量，两个振幅量，两个振幅(等于入射光振幅的等于入射光振幅的1/ ）和相位都相等分别为：）和相位都相等分别为：入射光入射光P1Iixyzx y P2Io调制光调制光VL起偏器起偏器 /4波片波片检偏器检偏器 纵向电光强度调制纵向电光强度调制 tAEtAEcycxcos0cos03.2.1 电光强度调制电光强度调制1. 纵向电光调制（纵向电光调制（光束方向与电场方向一致光束方向与电场方向一致） 入射光入射光P1Iixyzx y P2Io调制光调制光VL起偏器起偏器 /4波片波片检偏器检偏器 纵向电光强度调制纵

20、向电光强度调制或采用复数表示，或采用复数表示， 即即 tiAEtiAEcycxexp0exp0由于光强正比于电场的平方，因此，入射光强度为由于光强正比于电场的平方，因此，入射光强度为当光通过长度为当光通过长度为L的晶体后，由于电光效应，的晶体后，由于电光效应，E x和和E y二分量间二分量间就产生了一个相位差就产生了一个相位差 ，则，则 iALEALEyxexp3.2.1 电光强度调制电光强度调制1. 纵向电光调制（纵向电光调制（光束方向与电场方向一致光束方向与电场方向一致） yYxX45o45o通过检偏器后的总强度为：通过检偏器后的总强度为：与之相应的输出光强为：与之相应的输出光强为： 将出

21、射光强与入射光强相比得：将出射光强与入射光强相比得： ,2cosixixeex2cos12sinxx注意公式：注意公式：3.2.1 电光强度调制电光强度调制1. 纵向电光调制（纵向电光调制（光束方向与电场方向一致光束方向与电场方向一致） V Ez6330633022nLnyxnn63300633022ncnVT称为调制器的透过率。称为调制器的透过率。若调制器工作在非线性部分若调制器工作在非线性部分,则调制光将发生畸变。为了获得线则调制光将发生畸变。为了获得线性调制，可以通过引入一个固定的性调制，可以通过引入一个固定的 /2相位延迟，使调制器的相位延迟，使调制器的电压偏置在电压偏置在T50的工作

22、点上。常用的办法有两种：的工作点上。常用的办法有两种：电光调制特性曲线电光调制特性曲线50100透 过 率透 过 率(%)0透射光强透射光强时间时间电压电压调制电压调制电压V V /23.2.1 电光强度调制电光强度调制1. 纵向电光调制（纵向电光调制（光束方向与电场方向一致光束方向与电场方向一致） m = Vm/V （相当于（相当于3.2-30式中的式中的 ）是相应于外加调制）是相应于外加调制信号信号vm的相位延迟。其中的相位延迟。其中Vm sinmt 是外加调制信号电压。是外加调制信号电压。其一，除了施加信号电压之外，再附加一个其一，除了施加信号电压之外，再附加一个 V/4 的固定偏压，的

23、固定偏压，但会增加电路的复杂性，且工作点的稳定性也差。但会增加电路的复杂性，且工作点的稳定性也差。其二，在光路上插入一个其二，在光路上插入一个14波片，其快慢轴与晶体主轴波片，其快慢轴与晶体主轴x成成45o 角，使角，使E x和和E y二分量间产生二分量间产生 /2 的固定相位差。的固定相位差。(3.2-30)式中的总相位差式中的总相位差3.2.1 电光强度调制电光强度调制1. 纵向电光调制（纵向电光调制（光束方向与电场方向一致光束方向与电场方向一致） 纵向电光调制器的优点：纵向电光调制器的优点： 结构简单、工作稳定、不存在自然双折射的影响结构简单、工作稳定、不存在自然双折射的影响 缺点：缺点

24、： 半波电压太高，特别在调制频率较高时，功率损耗比半波电压太高，特别在调制频率较高时，功率损耗比 较大较大。3.2.1 电光强度调制电光强度调制1. 纵向电光调制（纵向电光调制（光束方向与电场方向一致光束方向与电场方向一致） 3.2.1 电光强度调制电光强度调制2. 横向电光调制（横向电光调制（光束方向与电场方向垂直光束方向与电场方向垂直） 外加电场沿外加电场沿z轴方向，因此和纵向运用时一样，轴方向，因此和纵向运用时一样，Ex=Ey=0, Ez=E，晶体的主轴晶体的主轴 x, y 旋转旋转45o 至至 x，yezzyzxnnEnnnEnnn63300633002121通光方向与通光方向与z轴相

25、垂直，并沿着轴相垂直，并沿着y方向入射方向入射(入射光偏振方向入射光偏振方向与与z袖成袖成450角角)，进入晶体后将分解为沿，进入晶体后将分解为沿x和和z方向振动的两方向振动的两个分量，其折射率分别为个分量，其折射率分别为nx和和nz；苦通光方向的晶体长度；苦通光方向的晶体长度为为L，厚度，厚度(两电极间距离两电极间距离)为为d，外加电压，外加电压VEzd，则从晶体，则从晶体出射两光波的相位差出射两光波的相位差3.2.1 电光强度调制电光强度调制2. 横向电光调制（横向电光调制（光束方向与电场方向垂直光束方向与电场方向垂直） 由此可知，由此可知，KDP晶体的晶体的63 横向电光效应使光波通过晶

26、体横向电光效应使光波通过晶体后的相位差包括两项：后的相位差包括两项：第一项是与外加电场无关的晶体本身的第一项是与外加电场无关的晶体本身的自然双折射自然双折射引起的引起的相位延迟，这一项对调制器的工作没有什么贡献，而且当相位延迟，这一项对调制器的工作没有什么贡献，而且当晶体温度变化时，还会带来不利的影响，因此应设法消除晶体温度变化时，还会带来不利的影响，因此应设法消除(补偿补偿)掉；掉；第二项是外加电场作用产生的相位延迟，它与外加电压第二项是外加电场作用产生的相位延迟，它与外加电压V和和晶体的尺寸晶体的尺寸(L/d)有关，若适当地选择晶体尺寸，则可以降有关，若适当地选择晶体尺寸，则可以降低其半波

27、电压。低其半波电压。3.2.1 电光强度调制电光强度调制2. 横向电光调制（横向电光调制（光束方向与电场方向垂直光束方向与电场方向垂直） 常用的补偿方法有两种：一种方法是，将两块几何尺寸几乎常用的补偿方法有两种：一种方法是，将两块几何尺寸几乎完全相同的晶体的光轴相互成完全相同的晶体的光轴相互成90o串接排列，即一块晶体的串接排列，即一块晶体的y和和z轴分别与另一块晶体的轴分别与另一块晶体的z轴和轴和y轴平行轴平行(见图见图a）。）。3.2.1 电光强度调制电光强度调制2. 横向电光调制（横向电光调制（光束方向与电场方向垂直光束方向与电场方向垂直） 另一种方法是，两块晶体的另一种方法是，两块晶体

28、的z轴和轴和y轴互相反向平行排列轴互相反向平行排列,中间放置一块中间放置一块12 波片波片(见图见图b)。这两种方法的补偿原理。这两种方法的补偿原理是相同的。外电场沿是相同的。外电场沿z轴轴(光轴光轴)方向，但在两块晶体中电方向，但在两块晶体中电场相对于光轴反向，场相对于光轴反向，3.2.1 电光强度调制电光强度调制2. 横向电光调制（横向电光调制（光束方向与电场方向垂直光束方向与电场方向垂直） 当线偏振光沿当线偏振光沿x轴方向入射第一块晶体时，电矢量分解为沿轴方向入射第一块晶体时，电矢量分解为沿z方方向向e1光和沿光和沿y方向的方向的o1光两个分量，当它们经过第一块晶体之后，光两个分量，当它

29、们经过第一块晶体之后，两束光的相位差两束光的相位差 3.2.1 电光强度调制电光强度调制2. 横向电光调制（横向电光调制（光束方向与电场方向垂直光束方向与电场方向垂直） 因此，若两块晶体的尺寸、性能及受外界影响完全相同，则自因此，若两块晶体的尺寸、性能及受外界影响完全相同，则自然双折射的影响即可得到补偿。然双折射的影响即可得到补偿。经过经过1/2波片后，两束光的偏振方向各旋转波片后，两束光的偏振方向各旋转90。，经过第二块晶，经过第二块晶体后，原来的体后，原来的e1光变成了光变成了o2 光，光， o1光变成光变成e2光，则它们经过第二光，则它们经过第二块晶体后，其相位差块晶体后，其相位差于是，

30、通过两块晶体之后的总相位差于是，通过两块晶体之后的总相位差3.2.1 电光强度调制电光强度调制2. 横向电光调制（横向电光调制（光束方向与电场方向垂直光束方向与电场方向垂直） 其中括号内的就是纵向电光效应的半被电压，所以其中括号内的就是纵向电光效应的半被电压，所以 可见，横向半波电压是纵向半波电压的可见，横向半波电压是纵向半波电压的d/L倍。减小倍。减小d，增加，增加长度长度L可以降低半波电压。但是这种方法必须用两块晶体，所可以降低半波电压。但是这种方法必须用两块晶体，所以结构复杂，而且其尺寸加工要求极高。以结构复杂，而且其尺寸加工要求极高。当当 时，半波电压为时，半波电压为 3.2.1 电光

31、强度调制电光强度调制2. 横向电光调制（横向电光调制（光束方向与电场方向垂直光束方向与电场方向垂直） 由起偏器和电光晶体组成。由起偏器和电光晶体组成。起偏器的偏振方向平行于起偏器的偏振方向平行于晶体的感应主轴晶体的感应主轴x(或或y)，此时入射晶体的线偏振光此时入射晶体的线偏振光不再分解成沿不再分解成沿x、y两个两个分量，而是沿着分量，而是沿着x(或或y)轴一个方向偏振，故外电轴一个方向偏振，故外电场不改变出射光的偏振状场不改变出射光的偏振状态，仅改变其相位，相位态，仅改变其相位，相位的变化为的变化为 入射光入射光偏振器偏振器调制光调制光VLx y z 电光相位调制原理图电光相位调制原理图3.

32、2.2 电光相位调制电光相位调制因为光波只沿因为光波只沿x方向偏振，相应的折射率为方向偏振，相应的折射率为 。若若 外加电场是外加电场是 , 在晶体入射面在晶体入射面(z0)处的光场处的光场 ，则输出光场，则输出光场(zL处处)就变为就变为略去式中相角的常数项，因为它对调制效果没有影响，则上式写成略去式中相角的常数项，因为它对调制效果没有影响，则上式写成式中式中 称为相位调制系数。称为相位调制系数。3.2.2 电光相位调制电光相位调制一一. 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调制是利用声光效应声光效应将信息加载于光频载波上的物将信息加载于光频载波上的物理过程。理过程。

33、 调制信号是以电信号调制信号是以电信号(调辐调辐)形式作用于电形式作用于电-声换能器上，声换能器上，电电-声换能器将相应的电信号转化为变化的超声场，当光波通声换能器将相应的电信号转化为变化的超声场，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“携带携带”信息的强度调制波。信息的强度调制波。 3.3 声光调制声光调制(Acousto-optical Modulate) 声光调制器是由声光介质、电声光调制器是由声光介质、电声换能器、吸声声换能器、吸声(或反射或反射)装装置及驱动电源等所组成。置及驱动电源等所组成。 (1)声光介质，声光

34、介质是声光互作用的声光介质，声光介质是声光互作用的场所。场所。声光调制器结构声光调制器结构吸声装置吸声装置Laser inLaser out(2)电电声换能器声换能器(又称超声发生器又称超声发生器)(3)吸声吸声(或反射或反射)装置装置(放置在超声源的对面放置在超声源的对面)。(4)驱动电源驱动电源 它用以产生它用以产生调制电信号调制电信号施施加于电加于电声换能器的两端电极上，驱动声换能器的两端电极上，驱动声光调制器声光调制器(换能器换能器)工作。工作。二二. 声光调制器的组成声光调制器的组成 由前面分析可知，无论是拉曼由前面分析可知，无论是拉曼纳斯衍射，还是布拉格衍射，纳斯衍射，还是布拉格衍

35、射，其衍射效率均与附加相位延迟因子其衍射效率均与附加相位延迟因子2nL有关，而其中声有关，而其中声致折射率差致折射率差n正比于弹性应变幅值正比于弹性应变幅值S，而，而S声功率声功率Ps，故当声波，故当声波场受到信号的调制使声波振幅随之变化，则衍射光强也将随之做场受到信号的调制使声波振幅随之变化，则衍射光强也将随之做相应的变化。相应的变化。二二. 声光调制器的衍射效率声光调制器的衍射效率(1)、拉曼、拉曼-纳斯型声光调制器纳斯型声光调制器 调制器的工作原理如图调制器的工作原理如图1(a) 所示，工作声源频率低于所示，工作声源频率低于10MHz。只限于低频工作，带宽较小。只限于低频工作，带宽较小。

36、 入射光入射光 衍射光衍射光 调制信号调制信号图图1 拉曼拉曼-纳斯型声光调制器纳斯型声光调制器二二. 声光调制器的衍射效率声光调制器的衍射效率衍射光衍射光调制信号调制信号入射光入射光图图2 声光调制器布喇格型声光调制器布喇格型(2)、布喇格型声光调制器、布喇格型声光调制器 布喇格型声光调制器工作原理如图布喇格型声光调制器工作原理如图2所示。所示。二二. 声光调制器的衍射效率声光调制器的衍射效率布拉格声光调制特性曲线与电光强度调制相似。由图可以看出：布拉格声光调制特性曲线与电光强度调制相似。由图可以看出：衍射效率衍射效率与超声功率与超声功率Ps只是非线性调制曲线形式，为了使调制不只是非线性调制

37、曲线形式，为了使调制不发生畸变，则需加超声偏置（类似于电光调制中的偏压发生畸变，则需加超声偏置（类似于电光调制中的偏压V /4 =V/2 ），使其工作在线性较好的区域。），使其工作在线性较好的区域。 tPsId(fm)fm(Is)0PS1/2声光调制特性曲线声光调制特性曲线二二. 声光调制器的衍射效率声光调制器的衍射效率 对于布拉格型衍射，其衍射效率由前面的式给出。布拉格对于布拉格型衍射，其衍射效率由前面的式给出。布拉格型声光调制器工作原理如型声光调制器工作原理如(b)所示。在声功率所示。在声功率Ps (或声强或声强Is )较小的较小的情况下，衍射效率情况下，衍射效率 s 随声强度随声强度Is

38、单调地增加单调地增加(呈线性关系呈线性关系)； 式中的式中的cosB因子是考虑了布拉格角对声光作用的影响。由式因子是考虑了布拉格角对声光作用的影响。由式可见，若对声强加以调制，衍射光强也就受到调制了。布拉格衍可见，若对声强加以调制，衍射光强也就受到调制了。布拉格衍射必须使入射光束以布拉格角射必须使入射光束以布拉格角B入射，同时在相对于声波阵面对入射，同时在相对于声波阵面对称方向接收衍射光束时，才能得到满意的结果。布拉格衍射由于称方向接收衍射光束时，才能得到满意的结果。布拉格衍射由于效率高，且调制带宽较宽，故多被采用。效率高，且调制带宽较宽，故多被采用。二二. 声光调制器的衍射效率声光调制器的衍

39、射效率二二. 声光调制器的衍射效率声光调制器的衍射效率要得到要得到100的调制所需要的声强度为的调制所需要的声强度为 22222cosLMIBs所需的声功率所需的声功率 LHMHLIPBss2222cos 可见，声光材料的品质因数可见，声光材料的品质因数M2越大，欲获得越大，欲获得100%的衍射效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（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（大）而窄（H小）。小）。 3.7. 用用PbMoO4晶体做成一个声光扫描器，取晶体做成一个声光扫描器，取n=2.48，M2=37.75 10-15s3/kg，换能器宽度，换能器宽

40、度H=0.5mm。声波沿光轴方向传播，声频。声波沿光轴方向传播，声频fs=150MHz，声速，声速vs=3.99 105cm/s，光束宽度，光束宽度d=0.85cm，光波，光波长长 =0.5 m。 证明此扫描器只能产生正常布喇格衍射；证明此扫描器只能产生正常布喇格衍射； 为获得为获得100%的衍射效率，声功的衍射效率，声功Ps率应为多大率应为多大？0204snLL22222cosLMIBsLHMHLIPBss2222cos 由公式由公式证明不是拉曼证明不是拉曼-纳斯衍射。纳斯衍射。 3.4 磁光调制磁光调制 磁光调制主要是应用法拉第旋转效应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

41、磁场作用下的介质中传播时，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其偏振方向发生旋转 VHL磁光体调制器磁光体调制器 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棒棒磁光调制示意图磁光调制示意图 为了获得线性调制，在垂直于光传播的方向上加一恒定为了获得线性调制，在垂直于光传播的方向上加一恒定磁场磁场Hdc，其强度足以使晶体饱和磁化。，其强度足以使晶体饱和磁化。 工作时，高频信号电流通过线圈就会感生出平行于光传工作时，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，入射光通过播方向的磁场，入射光通过YIG晶体时，由于法拉第旋转效晶体时，

42、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应，其偏振面发生旋转，旋转角正比于磁场强度H。光隔离器光隔离器SOP入射光入射光通过通过偏振器偏振器(1)(2)(3)法拉弟法拉弟旋转器旋转器(4)偏振器偏振器反射光反射光阻塞阻塞(7)(6)(5)图图隔离器的工作原理隔离器的工作原理光学二极管光学二极管LNIH VNI10. 一束线偏振光经过长一束线偏振光经过长L=25cm，直径，直径D=1cm的实心玻璃，的实心玻璃，玻璃外绕玻璃外绕N=250匝导线，通有电流匝导线，通有电流I=5A。取韦尔德常数为。取韦尔德常数为V=0.25 10-5（ ）/cm T，试计算光的旋转角，试计算光的旋转

43、角 。由公式由公式、和和计算，得到计算，得到VHL3.5 直接调制直接调制直接调制是把要传递的信息直接调制是把要传递的信息转变为电流信号注入半导体转变为电流信号注入半导体光源（激光二极管光源（激光二极管LD或半导或半导体发光二极管体发光二极管LED），从而），从而获得调制光信号。由于它是获得调制光信号。由于它是在光源内部进行的，因此又在光源内部进行的，因此又称为内调制。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。和数字调制两种。激光源激光源驱动器驱动器光纤光纤光信号输出光信号输出电信号电信号输入输入10500 50

44、100 It 150驱动电流驱动电流(mA)输输出出功功率率(mW) 半导体激光器的输出特性半导体激光器的输出特性10080604020850 950 1050波长波长( m)相相对对辐辐射射强强度度(%)高于阈值高于阈值低于阈值低于阈值 半导体激光器的光谱特性半导体激光器的光谱特性 获得线性调制，使工作点处于输出特性曲线的直线部获得线性调制，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。这样就可以使输出的光信号不失真。 1. 半导体激光器（半导体激光器（LD Laser D

45、iode ）直接调制的原理）直接调制的原理输输出出功功率率直 流 偏直 流 偏置置调制信号调制信号输出光强信号输出光强信号ttt(b)CLLD调制信号调制信号直流偏置直流偏置(a) 半导体激光器调制半导体激光器调制 (a) 电原理图；电原理图；(b) 调制特性曲线调制特性曲线 半导体激光器处于连续调制工作状态时，无论有无调制信半导体激光器处于连续调制工作状态时，无论有无调制信号，由于有直流偏置，所以功耗较大，甚至引起温升，会影响号，由于有直流偏置，所以功耗较大，甚至引起温升，会影响或破坏器件的正常工作。或破坏器件的正常工作。1. 半导体激光器（半导体激光器（LD Laser Diode ）直接

46、调制的原理）直接调制的原理LD2LD1LED1LED2LED3LED4I(mW)Pout(mW)16141210864200 100 200 300 400 LED与与LD 的的Pout-I曲线比较曲线比较 半导体发光二极管由于不是阈值器件，它的输出光功率不半导体发光二极管由于不是阈值器件，它的输出光功率不像半导体激光器那样会随注入电流的变化而发生突变，因此，像半导体激光器那样会随注入电流的变化而发生突变，因此，LED的的PI特性曲线的线性比较好。特性曲线的线性比较好。2.半导体发光二极管（半导体发光二极管（LED Light Emitting Diode ）的调制特性）的调制特性3.半导体光

47、源的模拟调制半导体光源的模拟调制LEDUb+EcIc已调光波已调光波(a)PoutItIco(b) 模拟信号驱动电路激光强度调制模拟信号驱动电路激光强度调制 (a) 驱动电路；驱动电路；(b) LED工作特性工作特性 无论是使用无论是使用 LD或或LED作光源，都要施加偏置电流作光源，都要施加偏置电流Ib，使其工作点处于使其工作点处于LD或或LED的的PI特性曲线的直线段特性曲线的直线段其调制线性好坏与调制深度其调制线性好坏与调制深度m有关：有关： 偏置电流调制电流幅度阈值电流偏置电流调制电流幅度mm:LED:LD4.半导体光源的脉冲编码数字调制半导体光源的脉冲编码数字调制PoutIbIDtt

48、I(a)OPoutIOt(b)数字调制特性数字调制特性 (a) 加加Ib后后LD数字调制特性；数字调制特性；(b) LED数字调制特性数字调制特性3.6 光束扫描技术光束扫描技术 一种是光的偏转角连续变化的模拟式扫描，一种是光的偏转角连续变化的模拟式扫描，它能描述光束的连续位移；它能描述光束的连续位移； 另一种是不连续的数字扫描，它是在选定空另一种是不连续的数字扫描，它是在选定空间的某些特定位置上使光束的空间位置间的某些特定位置上使光束的空间位置“跳变跳变”。 前者主要用于各种显示，后者则主要用于光前者主要用于各种显示，后者则主要用于光存储。存储。 1. 机械扫描机械扫描 机械扫描技术是目前最

49、成熟的一种扫描方法。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，即可采用机械扫描方法。如果只需要改变光束的方向，即可采用机械扫描方法。 机械扫描技术是利用机械扫描技术是利用反射镜或棱镜反射镜或棱镜等光学元件的旋转或等光学元件的旋转或振动实现光束扫描。振动实现光束扫描。 图图1所示为一简单的机械扫描原理装置，激光束入射到一所示为一简单的机械扫描原理装置，激光束入射到一可转动的平面反射镜上，当平面镜转动时，平面镜反射的激光可转动的平面反射镜上，当平面镜转动时，平面镜反射的激光束的方向就会发生改变，达到光束扫描的目的。束的方向就会发生改变，达到光束扫描的目的。 入射光束入射光

50、束 扫描光束扫描光束 反射镜反射镜 图图1 机械扫描装置示意图机械扫描装置示意图1. 机械扫描机械扫描 1. 机械扫描机械扫描 优缺点优缺点 优点：优点：扫描角度大，光的损耗小，适用于各种波长的扫描扫描角度大，光的损耗小，适用于各种波长的扫描 缺点：缺点：扫描速度慢扫描速度慢2. 电光扫描电光扫描 电光扫描是利用电光效应来改变光束在空间的传播方向，电光扫描是利用电光效应来改变光束在空间的传播方向，其原理如图其原理如图2所示。所示。 L dBAy xBA 光束的偏转方向光束的偏转方向 图图2 电光扫描原理图电光扫描原理图 光束沿光束沿y方向入射到长度为方向入射到长度为L，厚度为，厚度为d的电光晶的电光晶体，如果晶体的折射率是坐标体，如果晶体的折射率是坐标x的线性函数，即的线性函数，即xdnnxn)(2. 电光扫描电光扫描 L dBAy xBA 光束的偏转方向光束的偏转方向 用折射率的线性用折射率的线性 变化代替变化代替 ， 偏转角偏转角 可根可根据折射定律据折射定律 求得（求得（ ）。）。 式中的负号是由坐标系引进的，即式中的负号是由坐标系引进的，即 由由y转向转向x为负。为负。dxdndnnsin/sin1sindxdnLdnLn2. 电光扫描电光扫描 图图3所示的是根据这种原理作成的双所示的是根据这种原理作成的双KDP楔形棱镜