第3章-光束的调制和扫描

第3章光束的调制和扫描光电子技术基础厚德博学求实创新学习目标通过本章学习，掌握光束调制的原理和方法，掌握电光调制、声光调制、磁光调制等调制方法的原理、特性等知识。了解光束扫描技术、空间光调制器的原理和方法，为光束的调制和扫描及其器件的设计打下基础。第三章光束的调制和扫描[教学目的]1、牢固掌握光束调制原理。2、牢固掌握电光调制、声光调制的原理。3、了解光束扫描技术、空间光调制器。[教学重点与难点]重点：光束调制原理、电光调制、声光调制的原理。难点：电致折射率变化，电光相位延时分析。3.1光束调制原理要用激光作为信息的载体，就必须解决如何将信息加到激光上去的问题。信息的载体激光如何将信息加到激光上调制（将信息加载到激光的过程）调制器光波的电场为：式中Ac为振幅，wc为角频率，jc为相位角。既然光束具有振幅、频率、相位、强度和偏振等参量，如果能够应用某种物理方法改变光波的这些参量之一，使其按照调制信号的规律变化，那么激光束就受到了信号的调制，达到“运载”信息的目的。)cos()(ccctAtE实现激光束调制的方法，根据调制器与激光器的关系可以分为：内调制(直接调制)和外调制内调制：指加载信号是在激光振荡过程中进行的，以调制信号改变激光器的振荡参数，从而改变激光器输出特性以实现调制。外调制：指激光形成之后，在激光器的光路上放置调制器，用调制信号改变调制器的物理性能，当激光束通过调制器时，使光波的某个参量受到调制。光束调制按其调制的性质可分为：调幅、调频、调相及强度调制等。1、振幅调制若调制信号是一时间的余弦函数，即：tAtammcos)(调幅波的表达式为：)cos(]cos1[)(ccmacttmAtE])cos[(2])cos[(2)cos()(cmccacmccaccctAmtAmtAtE调幅波的频谱为：载频分量边频分量调幅系数其中,cmaAAm2caAmmccmc2caAmcAm22、频率调制和相位调制角度调制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而改变的振荡。对频率调制来说，就是式中的角频率c随调制信号变化：)()()(takttfcccmmfccmfccmtdwktwdttwkwdttwttwta)sin()]cos([)()()cos()(调制波的总相角为：其中：)sincos()(cmfcctmtAtE调频系数mmmff则调制波的表达式为:同样，相位调制就是相位角c随调制信号的变化规律而变化，则调相波的表达式为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)sincos()(cmcctmtAtE)sincos()(cmcctmtAtE调相系数mAkm3、强度调制光强随调制信号规律变化的激光振荡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。光束强度定义为光波电场的平方于是，强度调制的光强可表示为：)(cos)()(222ccctAtEtI)(cos)](1[2)(22ccpcttakAtI光强比例系数仍设调制信号是单频余弦波，则)(cos]cos1[2)(22ccmpcttmAtI强度调制系数mppAkm以上几种调制方式所得到的调制波都是一种连续振荡波，统称为模拟调制。I(t)t调制信号载波4、脉冲调制模拟调制：调制波是一种连续振荡波。脉冲调制数字式调制脉冲调制：用间歇的周期性脉冲序列作为载波，并使载波的某一参量按调制信号规律变化的调制方法。不连续状态下进行调制先电调制，再光强度调制光脉冲序列对光载波进行强度调制电脉冲序列调制模拟调制信号光调制电调制(a)调制信号(b)脉冲幅度调制(c)脉冲宽度调制(d)脉冲频率调制(e)脉冲位置调制5、脉冲编码调制三个过程：（1）抽样：把连续信号波分割成不连续的脉冲波，用一定的脉冲列来表示。模拟信号变成脉幅调制信号强度调制二进制编码电脉冲序列调制模拟调制信号光调制电调制（2）量化：分级取“整”变为数字信号（3）编码：把量化后的数字信号变换成相应的二进制码的过程。“1”激光载波的极大值；“0”激光载波的零值。3.2电光调制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。3.2.1.电光晶体基础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。（1）电致折射率的变化外加电场的方向平行于z轴将x坐标和y坐标绕z轴旋转45角ezzooyzooxnnErnnnErnnn6336332121（2）电光相位延迟纵向电光效应电场方向与光束在晶体中的传播方向一致Vrno6332VV横向电光效应电场与光束在晶体中的传播方向垂直。VdLrnozx)(6330与外加电场无关，是由晶体本身自然双折射引起的电光效应相位延迟3.2.2电光强度调制和电光相位调制1.电光强度调制外加电场使得晶体的折射率发生变化，这便是电光调制的物理基础。加电场通常有两种方式：一是电场沿晶体主轴轴（光轴方向），电场与光束传播方向平行，即产生纵向电光效应；二是电场沿晶体的任一主轴轴，而光束的传播方向与电场方向垂直，即产生横向电光效应。这两种效应均可实现电光强度调制。⑴纵向电光调制器及其工作原理纵向电光强度调制起的结构如图所示入射光P1IixyzxyP2Io调制光~VL起偏器/4波片检偏器进入晶体后被分解为沿x和y方向的两个分量，其振幅和相位都相同，分别为：入射光强度为通过长度为L的晶体之后，和两个分量之间产生了一相位差，则有，。tAEtAEcycxcos)0(cos)0()exp()0()exp()0(tiAEtiAEcycx，或222*2)0()0(AEEEEIyxixEyEALEx)(iyAeLE)(那么，通过检偏器后的总电场强度是和在y方向的投影之和，即)(LEx)(LEy)1(2)(ioyeAE2sin2)1)(1(2])()[(222*AeeAEEIiioyoyoVVIITio2sin2sin22与之相应的输出光强为：调制器的透过率50100透过率(%)0透射光强时间电压调制电压VV/2可见，在一般情况下，调制器的输出特性与外加电压的关系是非线性的。调制光强发生畸变1、附加一个的固定偏压会增加电路的复杂性，而且工作点的稳定性也差。2、在调制器的光路上插入一/4波片，解决办法2/VxEyE和两个分量之间产生/2的固定相位差于是总相位差为调制的透过率可表示为ttVVmmmmsin2sin2)]sinsin(1[21sin24sin2ttIITmmmmiorad1VVmm线性调制的判据：优点：具有结构简单；工作稳定；不存在自然双折射的影响等。缺点：半波电压太高，特别在调制频率较高时；功率损耗比较大。⑵横向电光调制在此仅以KDP晶体的第一类运用方式为代表进行分析沿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)。V-xz'y'xL光的偏振方向入射光调制晶体调制光检偏器（垂直入射偏振光）横向电光调制示意图dezzyzxnnEnnnEnnn63300633002121从晶体出射两光波的相位差为:可见，KDP晶体的横向电光效应使光波通过晶体后的相位延迟包括两项：第一项:是与外电场无关的晶体本身的自然双折射引起的相位延迟;第二项:是外电场作用产生的相位延迟])(21)[(2)(2633VdLrnLnnLnnoeozx下图所示的是一电光相位调制的原理图，它由起偏器和电光晶体组成。起偏器的偏振方向平行于晶体的感应主轴x’(或y’)，此时入射晶体的线偏振光不再分解成沿x’、y’两个分量，而是沿着x’(或y’)轴一个方向偏振，故外电场不改变出射光的偏振状态，仅改变其相位，相位的变化为2电光相位调制''cxxnLc'x'xzL调制光电光晶体入射光偏振器载波相位调制波电光相位调制原理图这里的因为光波只沿x’方向偏振，相应的折射率为。若外加电场是,在晶体入射面(z＝0)处的光场，则输出光场(z＝L处)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，则上式可写成式中称为相位调制系数。2/ctEEsintAEcos3'6312xooznnnE3631cos[(sin)]2cccoommAtnnEtLccos(sin)outccmEAtmt363omnELm一个高质量的电光调制器主要应满足以下几个方面的要求：(1).调制器应有足够宽的调制带宽，以满足高效率无畸变地传输信息。(2).调制器消耗的电功率小。(3).调制特性曲线的线性范围大。(4).工作稳定性好。设计电光调制器应考虑的问题3.3声光调制光波在声光晶体中的传播声波是弹性波，在介质中传播时，会使介质的弹性形变或者介质的密度发生周期性的疏密变化，从而引起介质中光折射率的相应变化，影响光在介质中的传播特性。这种效应使得声光介质形成一位相光栅，光栅常数为声波波长。出射光发生多级衍射，使得光束在传播方向，频率和强度分布等都发生规律性变化，这种现象称为声光效应。1声光效应弹光效应：由于外力作用而引起光学性质变化的现象。声波作为一种弹性波，在晶体中传播时，会造成介质密度的疏密变化，使得介质的折射率分布也随之改变。声光效应：由于声波作用而引起光学性质变化的现象，声光效应是弹光效应的一种。(1)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。sLxy声波阵面声波光波阵面拉曼-纳斯衍射图各级衍射的方位角为（最大值的位置）：),2,1,0(sinmmkkmsism各级衍射光的强度为：nLLknvvJIimm2)(),(23210-1-2-3衍射效率为：)2(21sin21nLIIisPSnn321。可以实现对光强的调制改变，，一级衍射光的强度将有关。改变值，与超声驱动功率场作用下的弹性应变幅为声光晶体在声，是声光晶体的弹光系数ssPPSPisII1(2)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。s入射光i衍射光i+s2非衍射光图5布喇格声光衍射声波衍射效率为：sisPMHLLII2212sin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。isII1声光效应与电光效应对比相似之处：晶体在受到外部作用后，才出现光学性质的变化，具体表现为折射率的分布发生改变。区别：电光效应中，外加电场的加入是起因。声光效应中，造成折射率变化的因素是应变或应力。声波传播方向入射波透射波衍射波布拉格方式（透射）入射波透射波反射波声波传播方向布拉格方式（反射）声波传播方向入射波0级1级1级2级2级拉曼－