光电子技术第3章-光束调制与扫描

光电子技术第3章-光束调制与扫描第一页，共119页。第3章光束的调制与扫描3.1光束调制原理调制调制实际上是改变载波的振幅、强度、相位或脉冲信号特性的过程，以达到传递信息的目的。-xy载波调制信号(一般为低频信号)调制光波(已调波)调制器第二页，共119页。第3章光束的调制与扫描3.1光束调制原理内调制(直接调制)、外调制(间接调制)内调制：加载调制信号是在激光振荡过程中进行的。实现内调制的方法：

一、用调制信号直接控制激光器泵浦电源。二、用调制信号控制谐振腔的参数。外调制：把调制器放在激光器谐振腔外的光路上实现调制。第三页，共119页。第3章光束的调制与扫描3.1光束调制原理激光调制按被控制的参数不同分为调幅、调频、调相、强度调制、偏振调制及脉冲调制等形式。第四页，共119页。第3章光束的调制与扫描3.1光束调制原理1.振幅调制

使载波的振幅随调制信号的规律而变化的过程叫振幅调制，简称调幅。假设调制信号为正弦波，即载波信号为则调幅波的表达式为：为调幅系数第五页，共119页。第3章光束的调制与扫描3.1光束调制原理1.振幅调制

使载波的振幅随调制信号的规律而变化的过程叫振幅调制，简称调幅。假设调制信号为正弦波，即载波信号为则调幅波的表达式为：为调幅系数第六页，共119页。第3章光束的调制与扫描3.1光束调制原理1.振幅调制

使载波的振幅随调制信号的规律而变化的过程叫振幅调制，简称调幅。假设调制信号为正弦波，即载波信号为则调幅波的表达式为：为调幅系数

调幅波由三个频率成分组成：载频分量，因调制产生的新分量——边频分量。第七页，共119页。第3章光束的调制与扫描3.1光束调制原理2.频率调制和相位调制载波信号的频率或相位随调制信号的规律而变化。也叫角度调制。频率调制为调频系数由并令得调频波的表达式为即振幅和初位相保持不变，只是角频率有一调制增量。即频率调制最终是调制总相角。第八页，共119页。第3章光束的调制与扫描3.1光束调制原理2.频率调制和相位调制载波信号的频率或相位随调制信号的规律而变化。也叫角度调制。频率调制为调频系数由并令得调频波的表达式为即振幅和初位相保持不变，只是角频率有一调制增量。即频率调制最终是调制总相角。第九页，共119页。第3章光束的调制与扫描3.1光束调制原理2.频率调制和相位调制载波信号的频率或相位随调制信号的规律而变化。也叫角度调制。频率调制为调频系数由并令得调频波的表达式为即振幅和初位相保持不变，只是角频率有一调制增量。即频率调制最终是调制总相角。

频率调制波的频谱是由光载波与两边的无穷多对边谱组成，并受与调制函数相关的贝塞尔函数调制。第十页，共119页。第3章光束的调制与扫描3.1光束调制原理2.频率调制和相位调制载波信号的频率或相位随调制信号的规律而变化。也叫角度调制。相位调制为调相系数由并令得调相波的表达式为即振幅和角频率保持不变，只是初位相有一调制增量。上式与调频波的表达式完全一样。

说明：调频信号或调相信号若直接用光电器件接受，则输出的信号将只有强度(振幅)信息而不包含任何频率或相位信息。因此在到达光电接收器件之前必须先将频率信息转化为强度信息，才能将信息提取出来。第十一页，共119页。

仍设调制信号是单频余弦波，则第3章光束的调制与扫描3.1光束调制原理3.强度调制

载波信号的强度(光强)随调制信号的规律而变化。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变化。

光束强度定义为光波电场的平方

强度调制的光强可表示为光强比例系数

强度调制波的频谱分布除了载频及对称分布的两边频之外，还有低频m和直流分量。第十二页，共119页。第3章光束的调制与扫描3.1光束调制原理4.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（幅度、宽度、频率、位置等）按调制信号规律变化的调制方法。调制的实现一般要借助电脉冲序列的调制。第十三页，共119页。第3章光束的调制与扫描3.1光束调制原理5.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，再对光载波进行强度调制。实现脉冲编码调制要进行三个过程：抽样、量化和编码。

第十四页，共119页。光束调制原理第十五页，共119页。第3章光束的调制与扫描3.2电光调制

根据光波在电光晶体中传播特性实现光束调制的。利用电光效应可实现强度调制和相位调制。本节以KDP电光晶体为例讨论电光调制的基本原理和电光调制器的结构。第十六页，共119页。第3章光束的调制与扫描3.2电光调制3.2.1电光强度调制

当电场加在晶体上时，其折射率变化可产生线性电光效应。加电场的方向通常有两种方式：纵向电光效应；横向电光效应。利用纵向电光效应和横向电光效应均可实现电光强度调制第十七页，共119页。3.2电光调制3.2.1电光强度调制1.纵向电光调制器及其工作原理

纵向电光强度调制器的结构：电光晶体（KDP）置于两正交的偏振器之间，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，在晶体和P2之间插入/4波片。第十八页，共119页。1.纵向电光调制器及其工作原理第十九页，共119页。通过检偏器后的光振幅及光强为：透过率：1.纵向电光调制器及其工作原理电光调制特性曲线的特点：非线性(畸变区、近似线性区、倍频区)解决方法：一、附加固定偏压；二、加四分之一波片第二十页，共119页。加1/4波片时，电光调制的透过率可表示为利用贝塞尔函数展开由此可见，高次谐波与基频波成分的比值为若取＝1rad，则J1(1)=0.44,J3(1)=0.02,I3/I1=0.045。在这个范围内可以获得近似线性调制，因而取作为线性调制的判据。此时代入上式得第二十一页，共119页。透过率：1.纵向电光调制器及其工作原理

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。第二十二页，共119页。3.2电光调制3.2.1电光强度调制2.横向电光调制③沿y方向加电场（即电场方向垂直于光轴），通光方向垂直于y轴，并与z轴成45夹角（晶体为45-y切割）。-xy

横向电光效应的运用可以分为三种不同形式：①沿Z轴方向加电场，通光方向垂直于z轴，并与x轴或y轴成45夹角。（晶体为45-z切割）。②沿x方向加电场（即电场方向垂直于光轴），通光方向垂直于x轴，并与z轴成45夹角（晶体为45-x切割）。第二十三页，共119页。3.2电光调制3.2.1电光强度调制2.横向电光调制光波穿过晶体后将产生相位差：第二项：是外电场作用产生的相位延迟，它与外加电压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。第一项：与外电场无关的晶体本身的自然双折射引起的相位延迟，对调制器的工作没有贡献，而且当晶体温度变化而引起折射率no和ne变化时，两光波的相位差发生漂移。-xy第二十四页，共119页。3.2电光调制3.2.1电光强度调制2.横向电光调制光波穿过晶体后将产生相位差：第二项：是外电场作用产生的相位延迟，它与外加电压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。

实验表明：KDP晶体的折射率差随温度的变化率为。如设L＝30mm，通过波长=6328um的光，若T=1℃，引起的附加相位差为：第一项：与外电场无关的晶体本身的自然双折射引起的相位延迟，对调制器的工作没有贡献，而且当晶体温度变化而引起折射率no和ne变化时，两光波的相位差发生漂移。-xy第二十五页，共119页。3.2电光调制3.2.1电光强度调制2.横向电光调制光波穿过晶体后将产生相位差：解决温漂的方法

方法一：采用no和ne的晶体较为理想。如CuCI，ZnTe等，没有双折射的影响，其电光系数又较大，因此适合作横向电光调制晶体。-xy第二十六页，共119页。3.2电光调制3.2.1电光强度调制2.横向电光调制光波穿过晶体后将产生相位差：解决温漂的方法

方法二：采用“组合调制器”进行补偿。如图由两块性能和大小部完全相同的KDP晶体和一个半波片组成。两块KDP晶体K1和K2的光轴方向相反，在Kl和K2之间插入一块半波片，外加电场沿z轴方向，通光方向与z轴垂直，并与y轴成45夹角。x’y’y’x’-xy第二十七页，共119页。3.2电光调制3.2.1电光强度调制2.横向电光调制光波穿过晶体后将产生相位差：解决温漂的方法

方法二：采用“组合调制器”进行补偿。如图由两块性能和大小部完全相同的KDP晶体和一个半波片组成。两块KDP晶体K1和K2的光轴方向相反，在Kl和K2之间插入一块半波片，外加电场沿z轴方向，通光方向与z轴垂直，并与y轴成45夹角。x’y’y’x’第二十八页，共119页。3.2电光调制3.2.1电光强度调制2.横向电光调制解决温漂的方法

光束经过第一块晶体后：x’y’y’x’

光束的两个分量经过半波片；

光束的两个分量经过两块晶体之后的总相位差：-xy

光束经过第二块晶体后：第二十九页，共119页。3.2电光调制3.2.2电光相位调制相位调制第三十页，共119页。3.2电光调制3.2.2电光相位调制电光相位调制原理相位变化：外加电场：入射光场：出射光场：相位调制系数折射率：第三十一页，共119页。3.2电光调制3.2.3电光调制器的电学性能电光调制器中的性能要求:调制效率、调制带宽渡越时间

调制信号频率m对电场分布的影响第三十二页，共119页。3.2电光调制3.2.3电光调制器的电学性能

电光调制中电极的加载方式

装有电极的调制晶体可以等效为一个电容，即可以看成是电路中的一个集总元件，通常称为集总参量调制器。其频率特性受外围电路参数的影响。1．外电路对调制带宽的限制第三十三页，共119页。集总电路（Lumpedcircuit）：

在一般的电路分析中,电路的所有参数,如阻抗、容抗、感抗都集中于空间的各个点上,各个元件上,各点之间的信号是瞬间传递的,这种理想化的电路模型称为集总电路。

这类电路所涉及电路元件的电磁过程都集中在元件内部进行。用集总电路近似实际电路是有条件的，即实际电路的尺寸要远小于电路工作时的电磁波长。分布参数电路distributedparameter

必须考虑参数分布性的电路,称为分布参数电路.又称为高速电路,是指传输线的长度与工作波长可相比拟,需用分参数电路来描述的电路.

第三十四页，共119页。3.2电光调制3.2.3电光调制器的电学性能1．外电路对调制带宽的限制

限制调制带宽的主要因素：外电路参数；

电光调制器的等效电路；第三十五页，共119页。3.2电光调制3.2.3电光调制器的电学性能1．外电路对调制带宽的限制

限制调制带宽的主要因素：外电路参数；

电光调制器的等效电路；

作用到晶体上的实际电压：第三十六页，共119页。3.2电光调制3.2.3电光调制器的电学性能1．外电路对调制带宽的限制

限制调制带宽的主要因素：外电路参数；

电光调制器的等效电路；

作用到晶体上的实际电压：

当调制频率增高时，调制晶体的交流阻抗变小，大部分调制电压就降在Rs上，即调制电源与晶体负载电路之间阻抗不匹配，调制效率就要大大降低，甚至不能工作。第三十七页，共119页。3.2电光调制3.2.3电光调制器的电学性能1．外电路对调制带宽的限制实现阻抗匹配的方法

作用到晶体上的实际电压：第三十八页，共119页。3.2电光调制3.2.3电光调制器的电学性能1．外电路对调制带宽的限制实现阻抗匹配的方法

作用到晶体上的实际电压：第三十九页，共119页。3.2电光调制3.2.3电光调制器的电学性能1．外电路对调制带宽的限制实现阻抗匹配的方法

作用到晶体上的实际电压：

电感量L的选择由工作频率决定：

即电感量L的选择要满足上式，此时该频率为电路的谐振频率，当工作频率(调制信号的频率)等于谐振频率时，阻抗

由此可实现阻抗匹配，从而提高调制效率。第四十页，共119页。3.2电光调制3.2.3电光调制器的电学性能1．外电路对调制带宽的限制谐振回路的带宽并联谐振回路阻抗上式阻抗只在频率间隔范围内才比较高；调制带宽：调制带宽与负载电阻的关系；第四十一页，共119页。3.2电光调制3.2.3电光调制器的电学性能1．外电路对调制带宽的限制

驱动峰值调制电压峰值调制功率

当调制晶体的种类、尺寸、激光波长和所要求的相位延迟确定之后，其调制功率与调制带宽成正比关系。调制带宽调制功率、调制功率与调制带宽的关系第四十二页，共119页。3.2电光调制3.2.3电光调制器的电学性能2．高频调制时渡越时间的影响

当调制频率极高时，光波在晶体中各部位所受到的调制电场是不同的渡越时间d=nL/c，dz=cdt/n峰值相位延迟因子高频相位延迟缩减因子：总相位延迟第四十三页，共119页。积分峰值相位延迟因子高频相位延迟缩减因子：或

光波在晶体内的渡越时间必须远小于调制信号的周期，才能使调制效果不受影响。对KDP晶体，若n=1.5,长L=1cm,则第四十四页，共119页。声光调制器结构吸声装置LaserinLaserout第3章光束的调制与扫描3.3声光调制

声光调制基于声光效应。

声光调制器组成：

声光介质

电——声换能器吸声（或反射）装置

驱动电源

声光调制器结构第四十五页，共119页。复习相关知识

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。声光晶体等价于一个相位光栅第四十六页，共119页。

拉曼-纳斯衍射产生拉曼-纳斯衍射的条件：当超声波频率较低，光波平行于声波面入射，声光互作用长度L较短时，在光波通过介质的时间内，折射率的变化可以忽略不计，则声光介质可近似看作为相对静止的“平面相位栅”。拉曼-纳斯衍射的特点：由出射波阵面上各子波源发出的次波将发生相干作用，形成与入射方向对称分布的多级衍射光。第四十七页，共119页。各级衍射的方位角为（最大值的位置）：各级衍射光的强度为：第四十八页，共119页。衍射效率为：第四十九页，共119页。布喇格衍射产生布喇格衍射条件：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。第五十页，共119页。衍射效率为：M2为声光材料的品质因数，Ps超声功率；H为换能器的宽度，L为换能器的长度。同样的改变超声功率，也可以达到改变一级衍射光的强度。第五十一页，共119页。第3章光束的调制与扫描3.3声光调制1.声光调制器的工作原理拉曼——纳斯衍射各级衍射光强分布

根据贝塞尔函数性质，零级光最强，两边逐渐减弱；但增大时，零级变小，总功率向高级衍射光分配。

第m衍射效率为：-2

-1

0

+1

+2

液槽

超声信号源

L

x1

x2

声光调制特性曲线：效率低；工作频率低，带宽小。拉曼——纳斯衍射声光调制特性第五十二页，共119页。第3章光束的调制与扫描3.3声光调制1.声光调制器的工作原理布喇格衍射声光调制特性

当入射光与声波面间夹角满足一定条件时，介质内各级衍射光会相互干涉，满足一定条件时，各高级次衍射光将互相抵消，只出现0级和+l级（或-l级）（视入射光的方向而定）衍射光，即产生布喇格衍射。布喇格方程、布喇格角第五十三页，共119页。第3章光束的调制与扫描3.3声光调制1.声光调制器的工作原理布喇格衍射声光调制特性衍射效率：

声光调制特性曲线：效率高；工作频率可以很高，带宽大。第五十四页，共119页。2.调制带宽

对于给定入射角和波长的光波，只有一个确定的频率和波矢的声波才能满足布拉格条件。当采用有限的发散光束和声波场时，波束的有限角将会扩展，因此，在一个有限的声频范围内都能产生布拉格衍射。第3章光束的调制与扫描3.3声光调制声光调制器的带宽：第五十五页，共119页。

允许的声频带宽与布喇格角的可能变化量之间的关系为：

设入射光束的发散角为i，声波束的发散角为，对于衍射受限制的波束，w0：入射光束束腰半径；n：为介质的折射率；D：声束宽度。2.调制带宽

第3章光束的调制与扫描3.3声光调制第五十六页，共119页。2.调制带宽

第3章光束的调制与扫描3.3声光调制入射角覆盖范围：调制带宽

由上述可知：声光调制器的带宽与声波穿过光束的渡越时间（w0/v0）成反比，即与光束的直径成反比。用宽度小的光束可以得到较大的带宽。但光束发散角不能太大，否则，0级和1级衍射会有部分重叠，降低调制的效果。第五十七页，共119页。3.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

第3章光束的调制与扫描3.3声光调制第五十八页，共119页。

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）。f0：声中心频率，为表征声光材料的调制带宽特性的品质因数。M1值越大，声光材料制成的调制器所允许的调制带宽越大。3.声光调制器的衍射效率第3章光束的调制与扫描3.3声光调制第五十九页，共119页。4.声束和光束的匹配为了充分利用声能和光能，认为声光调制器比较合理的情况是工作于声束和光束的发散角比，对于声光调制器，为了提高衍射光的消光比，希望衍射光尽量与0级光分开，要求衍射光中心和0级光中心之间的夹角大于，即大于。由于衍射光和0级光之间的夹角（即偏转角）等于第3章光束的调制与扫描3.3声光调制第六十页，共119页。可分离条件为

:d0：为高斯光束腰部直径，τ为声束穿越光束的度越时间。4.声束和光束的匹配第3章光束的调制与扫描3.3声光调制第六十一页，共119页。第3章光束的调制与扫描3.4磁光调制

法拉第效应：把磁光介质如水、铅玻璃等放到磁场中，使光线平行于磁场方向通过介质时，入射的平面偏振光的振动方向就会发生旋转，转移角度的大小与磁光介质的性质、光程和磁场强度等因素有关。

第六十二页，共119页。

磁光调制与电光调制、声光调制一样，也是把要传递的信息转换成光载波的强度（振幅）等参数随时间的变化。所不同的是，磁光调制是将电信号先转换成与之对应的交变磁场，由磁光效应改变在介质中传输的光波的偏振态，从而达到改变光强度等参量的目的。第3章光束的调制与扫描3.4磁光调制第六十三页，共119页。第3章光束的调制与扫描3.5直接调制

直接调制是目前光纤通信系统普遍采用的实用化调制方法。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。前者是用连续的模拟信号（如电视、语音等信号）直接对光源进行光强度调制，后者是用脉冲编码调制的数字信号对光源进行强度调制。第六十四页，共119页。第3章光束的调制与扫描3.5直接调制1.半导体激光器(LD)直接调制的原理(1)半导体激光器的输出特性和光谱特性第六十五页，共119页。第3章光束的调制与扫描3.5直接调制(3)半导体激光器的调制原理电路图(2)半导体激光器的调制特性曲线1.半导体激光器(LD)直接调制的原理(1)半导体激光器的输出特性和光谱特性

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。第六十六页，共119页。第3章光束的调制与扫描3.5直接调制2.半导体发光二极管(LED)的调制特性半导体发光二极管不是阈值器件，它的输出光功率不会随注入电流的变化而发生突变；发光二极管的PI特性曲线优于半导体激光器。在模拟光纤通信系统中得到广泛应用；发光二极管不能获得很高的调制速率。正面发光型发光二极管端面发光型发光二极管第六十七页，共119页。第3章光束的调制与扫描3.5直接调制3.半导体发光源的模拟调制调制方法调制深度：调制特点：

m大，调制信号幅度大,线性较差；

m小，线性好，调制信号幅度小。在线性要求较高的应用中，需要进行非线性补偿，即用电子技术校正光源引起的非线性失真。第六十八页，共119页。第3章光束的调制与扫描3.5直接调制4.半导体发光源的脉冲编码数字调制

数字调制是用二进制数字信号“l”码和“0”码对光源发出的光波进行调制。数字信号大都采用脉冲编码调制，调制特性曲线如图。特点：传输过程中引进的噪声和失真，可采用间接中继器的方式去掉，故抗干扰能力强；对数字光纤通信系统的线性要求不高，可充分利用光源(LD)的发光功率；便于和脉冲编码电话终端、脉冲编码数字彩色电视终端、电子计算机终端相连接，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。第六十九页，共119页。第3章光束的调制与扫描3.6光束扫描技术

激光束扫描技术是指利用电光效应、声光效应、磁光效应或机械手段等方法控制光束的传播方向；光束扫描技术广泛应用于光纤通信、各种显示、传真和光存储等方面。如利用电光偏转作成1n的光多路开关在光纤通讯、光纤传感网络中有重要的应用。在很多应用中不仅要求改变光的传播方向，而且要求具有很高的频率。根据应用目的不同可分为两种类型：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；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“跳变”。前者主要用于各种显示，后者则主要用于光存储。激光光束偏转的方法主要有：(1)机械偏转(2)电光偏转(3)声光偏转。第七十页，共119页。

图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，平面镜反射的激光束的方向就会发生改变，达到光束扫描的目的。

机械扫描方法虽然原始，扫描速度慢，但其扫描角度大而且受温度影响小，光的损耗小而且适用于各种光波长的扫描。因此，机械扫描方法在目前仍是一种常用的光束扫描方法。它不仅可以用在各种显示技术中，而且还可用在微型图案的激光加工装置中。3.6光束扫描技术3.6.1机械扫描第七十一页，共119页。3.6光束扫描技术3.6.2电光扫描当一平面波经过晶体时，光波上部和下部所需时间为：由于通过晶体的时间不同而导致光线A相对于B要落后一段距离：这就意味着光波到达晶体出射面时，其波阵面相对于传播轴线偏转了一个小角度，其偏转角（在输出端晶体内）为由折射定律,光束射出晶体后的偏转角为：电光扫描原理(28)第七十二页，共119页。3.6光束扫描技术3.6.2电光扫描结构：由两块KDP直角棱镜组成，棱镜的三个边分别沿x、y和z轴方向，两块晶体的z轴反向平行，其他两个轴的取向均相同，电场沿z轴方向；光线沿y方向传播且沿x方向偏振。双KDP楔形棱镜扫描器ABA线完全在上棱镜中传播，“经历”的折射率为：B线完全在下棱镜中传播，“经历”的折射率为：代入公式：得：假设偏转电压是周期变化的锯齿波，则光束将在一定角度范围内作周期性线性扫描。第七十三页，共119页。3.6光束扫描技术3.6.2电光扫描多级棱镜扫描器例，取L=d=h=1cm

63＝10.510-12m／Vn0=1.51V=l000V得：=3510-7rad。由：AB第七十四页，共119页。3.6光束扫描技术3.6.2电光扫描多级棱镜扫描器例，取L=d=h=1cm

63＝10.510-12m／Vn0=1.51V=l000V增大电光偏转角的方法：得：=3510-7rad。由：所以电光偏转角很小，很难达到使用要求。1.增大电压；AB第七十五页，共119页。3.6光束扫描技术3.6.2电光扫描多级棱镜扫描器例，取L=d=h=1cm

63＝10.510-12m／Vn0=1.51V=l000V增大电光偏转角的方法：得：=3510-7rad。由：所以电光偏转角很小，很难达到使用要求。1.增大电压；2.改进结构；第七十六页，共119页。3.6光束扫描技术3.6.2电光扫描电光扫描器的基本参量N设实际的光束的发散角为：ABN相当于电场作用下在聚焦平面上偏转的可分辨点数。若电光晶体放在高斯光束束腰处，则第七十七页，共119页。3.6光束扫描技术3.6.2电光扫描电光数字式扫描电光数字式扫描结构分裂角：三级电光数字式扫描三级电光数字式扫描原理电光数字式扫描原理三级电光数字式扫描输出与输入的关系(50)第七十八页，共119页。3.6光束扫描技术3.6.2电光扫描电光开关

电光数字式扫描结构的一个应用就是可以构成通道切换开关。

常用晶体电光晶体半波电压较高，在实用中受到限制。

采用集成光路工艺做成的光开关，控制电压仅需10V左右，并且可以做成开关阵列。第七十九页，共119页。3.6光束扫描技术3.6.2电光扫描喇叭形集成光开关原理：利用电光晶体受到外电场作用时某方向折射率将减小的现象。结构：四个喇叭型锥形通道波导构成一个平面波导的输入端和输出端，此平面波导内有一个可通过施加电场而使折射率减小的波导区。开关工作过程第八十页，共119页。3.6光束扫描技术3.6.3声光扫描从前面的声光布拉格衍射理论分析可知，产生衍射极值应满足布喇格条件:故衍射光与入射光间的夹角（偏转角）等于布拉格角的2倍，可以看出：改变超声波的频率就可以改变其偏转角，从而达到控制光束传播方向的目的，并且有第八十一页，共119页。3.6光束扫描技术

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；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“跳变”。前者主要用于各种显示，后者则主要用于光存储。第八十二页，共119页。1.机械扫描

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，即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。第八十三页，共119页。

图1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，平面镜反射的激光束的方向就会发生改变，达到光束扫描的目的。

入射光束

扫描光束

反射镜

图1机械扫描装置示意图

机械扫描方法虽然原始，扫描速度慢，但其扫描角度大而且受温度影响小，光的损耗小，而且适用于各种光波长的扫描。因此，机械扫描方法在目前仍是一种常用的光束扫描方法。它不仅可以用在各种显示技术中，而且还可用在微型图案的激光加工装置中。第八十四页，共119页。2.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，其原理如图2所示。LdBAyxBA光束的偏转方向

图2电光扫描原理图第八十五页，共119页。

光束沿y方向入射到长度为L，厚度为d的电光晶体，如果晶体的折射率是坐标x的线性函数，即

用折射率的线性变化代替，偏转角可根据折射定律求得（）。

式中的负号是由坐标系引进的，即

由y转向x为负。第八十六页，共119页。

图3所示的是根据这种原理作成的双KDP楔形棱镜扫描器。它由两块KDP直角棱镜组成，棱镜的三个边分别沿x、y和z轴方向，但两块晶体的z轴反向平行。光线沿方向传播y且沿方x向偏振。外电场沿Z方向（横向效应）。第八十七页，共119页。

上部的A线完全在上棱镜中传播，“经历”的折射率为。而在下棱镜中，B线“经历”的折射率为

。于是上、下折射率之差（）为。得第八十八页，共119页。例题：取L=d=h=1cm，r63=10.510-12m／V，no=1.51，V=1000V。

为了使偏转角加大，而电压又不致太高，因此常将若干个KDP棱镜在光路上串联起来，构成长为mL、宽为d、高为h的偏转器，如图4所示。则得=3510-7rad。可见电光偏转角是很小的，很难达到实用的要求。

第八十九页，共119页。hn+nn-nn+nn-nxy

图4多级棱镜扫描器两端的两块有一个角为/2，中间的几块顶角为的等腰三角棱镜，它们的z轴垂直于图面，棱镜的宽度与z轴平行，前后相邻的二棱镜的光轴反向，电场沿z轴方向。第九十页，共119页。

各棱镜的折射率交替为和其中。故光束通过扫描器后，总的偏转角为每级（一对棱镜）偏转角的m倍，

一般m为4～10，m不能无限增加的主要原因是激光束有一定的尺寸，而h的大小有限，光束不能偏出h之外。

第九十一页，共119页。

3.电光数字式扫描

由电光晶体和双折射晶体组合而成，其结构原理如图5所示。

图中S为KDP晶体，B为方解石双折射晶体（分离棱镜），它能使线偏振光分成互相平行、振动方垂直的两束光，其间隔b为分裂度，为分裂角（也称离散角）。第九十二页，共119页。纵向电光调制器及其工作原理

上述电光晶体和双折射晶体就构成了一个一级数字扫描器，入射的线偏振光随电光晶体上加和不加半波电压而分别占据两个“地址”之一，分别代表“0”和“l”状态。第九十三页，共119页。

若把n个这样的数字偏转器组合起来，就能做到n级数字式扫描。图6所示为一个三级数字式扫描器，使入射光分离为23个扫描点的情况。

要使可扫描的位置分布在二维方向上，只要用两个彼此垂直的n级扫描器组合起来就可以实现。这样就可以得到2n2n个二维可控扫描位置。

第九十四页，共119页。第九十五页，共119页。第3章光束的调制与扫描3.7空间光调制器yx空间光调制器：可以形成随xy坐标变化的振幅(或强度)透过率

A(x,y)＝A0T(x,y)或者是形成随坐标变化的相位分布A(x,y)＝A0Texp[iθ(x,y)]结构写入信号读出光输出光电寻址空间光调制器光寻址空间光调制器分类反射式透射式第九十六页，共119页。第3章光束的调制与扫描3.7空间光调制器应用领域：光学信息处理系统、显示器、光计算机功能：图像转换、显示、滤波、存储优点：能进行实时的二维并行处理、灵活第九十七页，共119页。

(x0,y0)

(x1,y1)

(x¢,y¢)

L0

L1

L2

0f

1f

'1f

2f

'2f

物面

频谱面

象面

O

光学信息处理空间滤波、位相滤波、图像微分、图像识别等等第九十八页，共119页。OpticalFilterAword“成”PhasegratingCandle第九十九页，共119页。不明物体所构成的图像通过CCD1输入到PC1中,经过计算机处理，和计算机内部储存的参考物体构成一幅图像，输入到SLM1中；平行光束照射到SLM1上，经过傅立叶透镜lens2，在傅立叶平面上形成联合功率谱（JTPS）；用CCD2来采集JTPS，输入到计算机PC2中进行图像处理，处理完的图像输入到SLM2上；经过分光镜分得的平行光照到SLM2上，通过傅立叶透镜lens3在输出平面上得到相关峰；由CCD3摄取目标图像与参考图像的联合变换相关点，再输入到PC3中由其显示出来；通过判断相关点的位置，我们可以确定目标及其方位。模式识别系统第一百页，共119页。计算机

物体

1L

液晶光阀

分光棱镜

2L

3L

Laser

4L

5L

CCD

空间光调制器

基于液晶光阀的光学小波变换光路

利用光学小波变换实现图像压缩非相干光----相干光的转化第一百零一页，共119页。第3章光束的调制与扫描3.7.1泡克耳读出光调制器

泡克耳读出光调制器(PROM)是一种利用电光效应制成的光学编址型空间光调制器。122341Ir51-透明电极2-绝缘层3-双色反射层(书上画错位置)4-硅酸铋晶体5-工作电压6-起偏器7-分束器8-检偏器IoIw1.泡克耳读出光调制器的结构678第一百零二页，共119页。第3章光束的调制与扫描3.7.1泡克耳读出光调制器2.泡克耳读出光调制器的工作过程施加电压氙灯闪光擦除电压反转写入曝光反射读出第一百零三页，共119页。擦除与激发：首先给PROM加上直流电压V0。这一电压被分配到BSO晶片与绝缘层上，如图(a)所示。然后用脉冲氙灯对其作瞬时、均匀照射。由于BSO具有光电导性，在光照下晶体产生大量电子-空穴对，使BSO成为导体，BSO上的压降为0，如图（b）所示。实际上，在外电场作用下，BSO内电子-空穴对定向移动，在其左右两侧界面上产生了正、负电荷积累，从而在BSO内形成了一个与外电场方向相反的均匀的内电场。关闭氙灯之后，将PROM两电极突然短路。此时，外电场撤消，又无光照射BSO，使其失去导电性能，界面上的积累电荷被保留下来，即内电场被保留下来。故晶体上出现-V0电压降，如图(c)所示。由于氙灯照射时光强分布是均匀的，BSO界面电荷分布也是均匀的，内电场也必然是均匀的。这一过程无论BSO中原来是否存在已输入的图像，都如此。因此它既是PROM的激发过程，也是其擦除过程，两个功能同时完成。 第一百零四页，共119页。写入：将载有输入图像信息的短波长（蓝色）光作为写入光，自图右侧照射PROM，由于双色反射层可通过蓝光，它将成像在BSO晶片右表面上。在图像的亮区，由于光电导效应产生电子-空穴对。电子在内电场作用下，向BSO的左侧表面迁移，正、负电荷分离后形成的附加电场将抵消一部分内电场，使这些区域的电压降减小。在图像的暗区，则由于电子-空穴对很少，电压降变化也小，甚至基本保持V0不变。这样一来，原来图像的空间光强分布，经BSO的光电导效应转换成空间电压分布，即把图像信息“写入”了PROM。

第一百零五页，共119页。读出：采用长波长（例如λ=633nm）的红光作为读出光，这是因为BSO晶体的光电导效应对红光的灵敏度很低。红光作为读出光基本上不会破坏蓝光写入的电压图像。通常读出光采用单色线偏振光，由左侧射入PROM，并分解成振动方向平行于xˊ轴和yˊ轴的两个线偏振分量。由于BSO晶片的双折射，它们在晶片中的相位延迟会不同。经双色反射层反射后，它们再次通过晶片，且相位延迟的差异加倍，最后由左方射出，形成输出光IO。IO波面各处的偏振态受到按写入图像形成的电场（电压）分布的调制。如果令其通过检偏器，则IO上各像元素的振幅或光强也获得相应调制。若使读出光沿xˊ或yˊ方向偏振，且不加偏振器，则可获得相位调制。第一百零六页，共119页。3.7空间光调制器yx

前面所介绍的各种调制器是对一束光的“整体”进行作用，而且对与光传播方向相垂直的xy平面上的每一点其效果是相同的。空间光调制器可以形成随xy坐标变化的振幅(或强度)透过率

A(x,y)＝A0T(x,y)或者是形成随坐标变化的相位分布

A(x,y)＝A0Texp[iθ(x,y)]第一百零七页，共119页。

或者是形成随坐标变化的不同的散射状态。顾名思义，这是一种对光波的空间分布进行调制的器件。它的英文名称是SpatialLightModulator(SLM)。空间光调制器含有许多独立单元，它们在空间排列成一维或二维阵列，每个单元都可以独立地接受光信号或电信号的控制，并按此信号改变自身的光学性质(透过率、反射率、折射率等)，从而对通过它的光波进行调制；控制这