光學(xué)信號(hào)的調(diào)制 (1)

1、第第0808章章 光學(xué)信號(hào)的調(diào)制光學(xué)信號(hào)的調(diào)制8.2 8.2 光信號(hào)調(diào)制的基本原理光信號(hào)調(diào)制的基本原理8.3 8.3 光信號(hào)調(diào)制的基本方法光信號(hào)調(diào)制的基本方法8.4 8.4 調(diào)制信號(hào)的解調(diào)調(diào)制信號(hào)的解調(diào)8.1 8.1 光信號(hào)調(diào)制的概述光信號(hào)調(diào)制的概述8.1 8.1 光信號(hào)調(diào)制的概述光信號(hào)調(diào)制的概述光波是信息的載體，通常稱為光波是信息的載體，通常稱為光載波光載波。1. 1. 載波的特征參數(shù)？載波的特征參數(shù)？ 2. 2. 調(diào)制：一次調(diào)制和二次調(diào)制調(diào)制：一次調(diào)制和二次調(diào)制 3. 3. 二次調(diào)制的意義二次調(diào)制的意義 1.1.光載波的光載波的特征參數(shù)特征參數(shù) 人眼和探測(cè)器起作用的是光波的電場(chǎng)強(qiáng)度人眼和探

2、測(cè)器起作用的是光波的電場(chǎng)強(qiáng)度 00c o s ( 2)EEv t振幅振幅頻率頻率相位相位特征參數(shù)：特征參數(shù)： 光強(qiáng)、光強(qiáng)、振幅、頻率、相位、振幅、頻率、相位、 偏振方向偏振方向、傳播方向傳播方向， 20IE 光的強(qiáng)度光的強(qiáng)度 （輻通量輻通量） 光強(qiáng)光強(qiáng)是使用最為廣是使用最為廣泛的特征參數(shù)泛的特征參數(shù)2. 2. 調(diào)制：一次調(diào)制和二次調(diào)制調(diào)制：一次調(diào)制和二次調(diào)制 光學(xué)調(diào)制光學(xué)調(diào)制是指改變光載波的一個(gè)或者幾個(gè)特征參數(shù)是指改變光載波的一個(gè)或者幾個(gè)特征參數(shù)的過(guò)程。的過(guò)程。 特征參數(shù)：特征參數(shù)： 光強(qiáng)、光強(qiáng)、振幅、頻率、相位、振幅、頻率、相位、 偏振方向偏振方向、傳播方向傳播方向， 一次調(diào)制一次調(diào)制二次調(diào)

3、制二次調(diào)制 廣義的廣義的光學(xué)調(diào)制光學(xué)調(diào)制例例1.1.衛(wèi)星遙感農(nóng)作物產(chǎn)量衛(wèi)星遙感農(nóng)作物產(chǎn)量 地面植物反射太陽(yáng)光的光譜，生長(zhǎng)狀況信息地面植物反射太陽(yáng)光的光譜，生長(zhǎng)狀況信息 將信息將信息直接直接加載到光載波上的調(diào)制，稱為加載到光載波上的調(diào)制，稱為一次調(diào)制一次調(diào)制 例例2 2 光纖通信系統(tǒng)光纖通信系統(tǒng) 將聲音、圖像信息加載到光波上將聲音、圖像信息加載到光波上 人為地人為地按確定的規(guī)律變換載波信號(hào)，稱為按確定的規(guī)律變換載波信號(hào)，稱為二次調(diào)制二次調(diào)制例例3 3：利用調(diào)制光測(cè)量液體濃度：利用調(diào)制光測(cè)量液體濃度 液體濃度（信息）對(duì)光強(qiáng)參數(shù)的調(diào)制液體濃度（信息）對(duì)光強(qiáng)參數(shù)的調(diào)制 一次調(diào)制一次調(diào)制調(diào)制盤(pán)（確定時(shí)間

4、規(guī)律）對(duì)光強(qiáng)參數(shù)的調(diào)制為調(diào)制盤(pán)（確定時(shí)間規(guī)律）對(duì)光強(qiáng)參數(shù)的調(diào)制為 二次調(diào)制二次調(diào)制 二次調(diào)制二次調(diào)制的意義？的意義？聲音、圖像聲音、圖像加載信息加載信息抑制干擾抑制干擾改善品質(zhì)改善品質(zhì)8.1 8.1 光信號(hào)調(diào)制的概述光信號(hào)調(diào)制的概述 小結(jié)小結(jié)光波是信息的載體，通常稱為光波是信息的載體，通常稱為光載波光載波。光學(xué)調(diào)制光學(xué)調(diào)制是是指改變光載波的一個(gè)或者幾個(gè)特征參數(shù)的過(guò)程。指改變光載波的一個(gè)或者幾個(gè)特征參數(shù)的過(guò)程。 將信息將信息直接直接加載到光載波上的調(diào)制，稱為加載到光載波上的調(diào)制，稱為一次調(diào)制一次調(diào)制 人為地人為地按確定的規(guī)律變換載波信號(hào)，稱為按確定的規(guī)律變換載波信號(hào)，稱為二次調(diào)制二次調(diào)制 光電系

5、統(tǒng)中常用的調(diào)制光電系統(tǒng)中常用的調(diào)制大多是二次調(diào)制大多是二次調(diào)制20IE 光的強(qiáng)度光的強(qiáng)度 （輻通量）（輻通量） 光強(qiáng)光強(qiáng)是使用最為廣是使用最為廣泛的調(diào)制參數(shù)泛的調(diào)制參數(shù)第第0808章章 光學(xué)信號(hào)的調(diào)制光學(xué)信號(hào)的調(diào)制8.2 8.2 光信號(hào)調(diào)制的基本原理光信號(hào)調(diào)制的基本原理8.3 8.3 光信號(hào)調(diào)制的基本方法光信號(hào)調(diào)制的基本方法8.4 8.4 調(diào)制信號(hào)的解調(diào)調(diào)制信號(hào)的解調(diào)8.1 8.1 光信號(hào)調(diào)制的概述光信號(hào)調(diào)制的概述8.2 8.2 光信號(hào)調(diào)制的基本原理光信號(hào)調(diào)制的基本原理8.2.1 模擬調(diào)制模擬調(diào)制8.2.2 脈沖調(diào)制脈沖調(diào)制8.2.3 編碼調(diào)制編碼調(diào)制以光信號(hào)的以光信號(hào)的強(qiáng)度（強(qiáng)度（輻通量輻通

6、量）調(diào)制）調(diào)制為例討論，適用為例討論，適用于光波的于光波的振幅振幅、相位相位和和頻率頻率等參數(shù)的調(diào)制等參數(shù)的調(diào)制 8.2.1模擬調(diào)制模擬調(diào)制0m( )sin()tt0m( ) ( )sin ( ) ( )tV tV t tV t振幅調(diào)制振幅調(diào)制(AM) 頻率調(diào)制頻率調(diào)制(FM) 相位調(diào)制相位調(diào)制(PM) 又稱為又稱為連續(xù)波調(diào)制連續(xù)波調(diào)制線性調(diào)制（頻譜線性調(diào)制（頻譜的線性搬移）的線性搬移）非線性調(diào)制（產(chǎn)非線性調(diào)制（產(chǎn)生新的頻率）生新的頻率）1.振幅調(diào)制振幅調(diào)制(AM) 光載波調(diào)制波（信息）調(diào)幅波0m( )1( )sin()tmV tt 0m()sin()tt載波的包絡(luò)變化載波的包絡(luò)變化信息信息(

7、 )sin()V tt 例例. .利用調(diào)制光測(cè)量液體的濃度利用調(diào)制光測(cè)量液體的濃度 載波載波 信息信息 思考：思考：如果溶液的如果溶液的濃度逐步加大，調(diào)制濃度逐步加大，調(diào)制波形？波形？ m1mm0m( )1sin()sin()tmtt載波載波 信息信息 振幅振幅討論：（討論：（1） 調(diào)制指數(shù)調(diào)制指數(shù)m 對(duì)調(diào)幅波形的影響對(duì)調(diào)幅波形的影響0m()sin( )tt( )sin()V tt電學(xué)中的振幅調(diào)制電學(xué)中的振幅調(diào)制(AM) 載 波調(diào)制波調(diào)幅波信息信息 振幅調(diào)制：振幅調(diào)制：載波的包絡(luò)變化載波的包絡(luò)變化信息信息 00( )( )cos1( )cosAMccStAm ttmV t At( )( )(

8、)( ) sin()m tm t V tm tt 0( )m tmA調(diào)制調(diào)制指數(shù)指數(shù)0m( )1sin()sin()tmttmmm00( )( )cos1( )cosAMccStAm ttmV t At0( )m tmA 波形圖由波形可以看出，當(dāng)滿足條件： 時(shí)，其包絡(luò)與調(diào)制信號(hào)波形相同，因此用包絡(luò)檢波法很容易恢復(fù)出原 始調(diào)制信號(hào)。否則，出現(xiàn)“過(guò)調(diào)幅”現(xiàn)象。這時(shí)用包絡(luò)檢波將發(fā)生失真。但是，可以采用其他的解調(diào)方法，如同步檢波。 0( )1m tmA0( )1m tmA0m( )1( )sin()tmV tt( )sin()V tt0m( )1sin()sin()tmtt0mm( )sin()1co

9、s()cos()2ttmtt載波載波 信息信息 振幅振幅單一頻率調(diào)制信號(hào)單一頻率調(diào)制信號(hào) 討論討論：（：（2）調(diào)幅對(duì)頻譜的影響調(diào)幅對(duì)頻譜的影響0mm( )sin()1cos()cos()2ttmtt調(diào)幅波頻譜調(diào)幅波頻譜( )sin()V tt信息信息“頻率頻率” 載波載波“頻率頻率” 信號(hào)變換信號(hào)變換頻率搬移頻率搬移 調(diào)幅波帶寬調(diào)幅波帶寬 B=2F5KHz2100Hz濾波器濾波器 調(diào)幅波頻譜：調(diào)幅波頻譜： 單一頻率調(diào)制信號(hào)單一頻率調(diào)制信號(hào) n頻譜圖n由頻譜可以看出，AM信號(hào)的頻譜由：載頻分量上邊帶下邊帶三部分組成。n上邊帶的頻譜結(jié)構(gòu)與原調(diào)制信號(hào)的頻譜結(jié)構(gòu)相同，下邊帶是上邊帶的鏡像。 載頻分量載

10、頻分量上邊帶上邊帶下邊帶下邊帶調(diào)幅波帶寬調(diào)幅波帶寬 B=2F信號(hào)變換信號(hào)變換頻率搬移頻率搬移 多個(gè)頻率調(diào)制信號(hào)多個(gè)頻率調(diào)制信號(hào) 調(diào)幅波頻譜：調(diào)幅波頻譜： 啟動(dòng)虛擬儀器啟動(dòng)虛擬儀器LabVIEW8.6仿真信號(hào)仿真信號(hào)多個(gè)頻率調(diào)制信號(hào)多個(gè)頻率調(diào)制信號(hào) 振幅調(diào)制應(yīng)用實(shí)例振幅調(diào)制應(yīng)用實(shí)例 振幅調(diào)制應(yīng)用實(shí)例振幅調(diào)制應(yīng)用實(shí)例 2.頻率調(diào)制頻率調(diào)制(FM) 載波載波 信息信息 頻率調(diào)制：頻率調(diào)制：載波的頻率變化載波的頻率變化信息信息 載波的頻率變化載波的頻率變化信息信息 2.頻率調(diào)制頻率調(diào)制(FM) 0m( ) ( )sin ( ) ( )tV tV t tV t0 ( )( )V tV t0m00( )s

11、in( )tttV t dt00( )sinsin()mfttmtffmF-頻率調(diào)制指數(shù)頻率調(diào)制指數(shù) mf 1 寬帶調(diào)頻寬帶調(diào)頻mf 1窄帶窄帶調(diào)頻調(diào)頻 【例【例】 設(shè)調(diào)制信號(hào)是fm =15 kHz的單頻余弦信號(hào)，NBFM信號(hào)的載頻f1 =200 kHz，最大頻偏f1 =25 Hz；求NBFM信號(hào)的調(diào)頻指數(shù)-3113251.67 1015 10mfmf討論：討論： 調(diào)制指數(shù)調(diào)制指數(shù)m 對(duì)調(diào)頻波形的影響對(duì)調(diào)頻波形的影響00( )sinsin()mfttmt000sincossin()cossinsin()mfftmttmtmf 1窄帶窄帶調(diào)頻時(shí)調(diào)頻時(shí) cossin()1fmt000sincoss

12、in()mftmttsinsin()sin()ffmtmtmf 周期性輻射通量周期性輻射通量 （1） 靜止目標(biāo)像靜止目標(biāo)像交流信號(hào)，抑制交流信號(hào)，抑制噪聲噪聲 和光源波動(dòng)和光源波動(dòng)的影響；的影響； （2） 進(jìn)行進(jìn)行空間濾波空間濾波，抑制背景噪聲；，抑制背景噪聲；（3） 提供目標(biāo)提供目標(biāo)方位空間信息方位空間信息。2)2)光柵調(diào)制光柵調(diào)制光柵光柵是具有是具有周期性周期性空間結(jié)構(gòu)或光學(xué)性能（如透射率、空間結(jié)構(gòu)或光學(xué)性能（如透射率、反射率等）的光學(xué)元件。反射率等）的光學(xué)元件。 計(jì)量光柵計(jì)量光柵（空間周期（空間周期P ） 衍射光柵衍射光柵（空間周期（空間周期P ） 光柵莫爾條紋光柵莫爾條紋典型的計(jì)量光柵

13、典型的計(jì)量光柵結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)：小夾角小夾角主光柵主光柵-定光柵定光柵指示光柵指示光柵-動(dòng)光柵動(dòng)光柵t光柵莫爾條紋光柵莫爾條紋原理：原理：光通量明暗交替變化光通量明暗交替變化兩光柵移動(dòng)，莫爾條紋移動(dòng)兩光柵移動(dòng)，莫爾條紋移動(dòng)光柵位移信息光強(qiáng)信號(hào)光柵位移信息光強(qiáng)信號(hào)mcos(2)xP用用計(jì)量光柵計(jì)量光柵實(shí)現(xiàn)光通量實(shí)現(xiàn)光通量幅度幅度調(diào)制：調(diào)制： 莫爾條紋圖案莫爾條紋圖案 光柵每移動(dòng)一個(gè)光柵每移動(dòng)一個(gè)柵柵距距P，條紋就跟著，條紋就跟著移動(dòng)一個(gè)條紋寬度移動(dòng)一個(gè)條紋寬度B。mcos(2)xPxNP 2)2)光柵調(diào)制光柵調(diào)制光柵莫爾條紋光柵莫爾條紋典型的計(jì)量光柵典型的計(jì)量光柵結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)：數(shù)控機(jī)床中的光數(shù)控機(jī)床中的

14、光柵，根據(jù)光線在柵，根據(jù)光線在光柵中是反射還光柵中是反射還是透射分為反射是透射分為反射光柵和透射光柵。光柵和透射光柵。還可以按形狀分還可以按形狀分為圓光柵和長(zhǎng)光為圓光柵和長(zhǎng)光柵。柵。應(yīng)用舉例：應(yīng)用舉例：光柵光柵線位移傳感器線位移傳感器測(cè)量范圍：測(cè)量范圍： 100mm-3000mm 分分 辨辨 率：率： 10、 5、 1、 0.5、 0.1 m 主主( (標(biāo)尺標(biāo)尺) )光柵光柵-定光柵定光柵（長(zhǎng)光柵）（長(zhǎng)光柵）指示光柵指示光柵-動(dòng)光柵動(dòng)光柵（短光柵）（短光柵）刻線密度刻線密度 - 測(cè)量精度測(cè)量精度 ( 10、25、50、100、125線線/mm )直線透射式光柵直線透射式光柵1. 1. 組成組成

15、 由標(biāo)尺光柵和光柵讀數(shù)頭兩部分組成，由標(biāo)尺光柵和光柵讀數(shù)頭兩部分組成，光柵讀數(shù)頭包括光源、透鏡、光電元件、指示光柵讀數(shù)頭包括光源、透鏡、光電元件、指示光柵等。如圖所示。光柵等。如圖所示。 標(biāo)尺光柵和指示光柵也可稱為長(zhǎng)光柵和標(biāo)尺光柵和指示光柵也可稱為長(zhǎng)光柵和短光柵，它們的線紋密度相等。長(zhǎng)光柵可安裝短光柵，它們的線紋密度相等。長(zhǎng)光柵可安裝在機(jī)床的固定部件上（如機(jī)床床身），其長(zhǎng)度在機(jī)床的固定部件上（如機(jī)床床身），其長(zhǎng)度應(yīng)等于工作臺(tái)的全行程；短光柵長(zhǎng)度較短，隨應(yīng)等于工作臺(tái)的全行程；短光柵長(zhǎng)度較短，隨光柵讀數(shù)頭安裝在機(jī)床的移動(dòng)部件上。光柵讀數(shù)頭安裝在機(jī)床的移動(dòng)部件上。光柵位置檢測(cè)裝置的組成光柵位置檢測(cè)裝

16、置的組成1光源光源 2透鏡透鏡 3標(biāo)尺光柵標(biāo)尺光柵4指示光柵指示光柵 5光電元件光電元件尺身尺身安裝孔 讀數(shù)頭 （與移動(dòng)部件固定）可移動(dòng)電纜2. 2. 工作原理工作原理 測(cè)量時(shí)，長(zhǎng)短兩光柵尺面相互平行地重疊在一測(cè)量時(shí)，長(zhǎng)短兩光柵尺面相互平行地重疊在一起，并保持起，并保持0.010.01至至0.1mm0.1mm的間隙，指示光柵相的間隙，指示光柵相對(duì)標(biāo)尺光柵在自身平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)一個(gè)微小的角度對(duì)標(biāo)尺光柵在自身平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)一個(gè)微小的角度。當(dāng)光線平行照射光柵時(shí)，由于光的透射和。當(dāng)光線平行照射光柵時(shí)，由于光的透射和衍射效應(yīng)，衍射效應(yīng)，在與兩光柵線紋夾角在與兩光柵線紋夾角的平分線相的平分線相垂直的方向上，會(huì)出現(xiàn)明

17、暗交替、間隔相等的垂直的方向上，會(huì)出現(xiàn)明暗交替、間隔相等的粗條紋粗條紋莫爾條紋。莫爾條紋。 兩條暗帶或明帶之間的距離稱為莫爾條紋的間兩條暗帶或明帶之間的距離稱為莫爾條紋的間距距B，若光柵的柵距為，若光柵的柵距為W，則，則 因?yàn)橐驗(yàn)楹苄。瑒t很小，則 由此可見(jiàn)，莫爾條紋的間距與光柵的柵距成正由此可見(jiàn)，莫爾條紋的間距與光柵的柵距成正比。比。 2sin2WB WB 莫爾條紋具有如下特點(diǎn)： （1）由上式可知，莫爾條紋的間距）由上式可知，莫爾條紋的間距B是光柵柵距是光柵柵距W的的1/，由于，由于很?。ㄐ∮诤苄。ㄐ∮?0），故），故BW，即莫爾條紋具有放大作用。例如，當(dāng)柵距為即莫爾條紋具有放大作用。例如，當(dāng)

18、柵距為W=0.01，=0.001rad時(shí)，莫爾條紋的間距時(shí)，莫爾條紋的間距B=10。因此，不需要經(jīng)過(guò)復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)，就。因此，不需要經(jīng)過(guò)復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)，就能把光柵的柵距轉(zhuǎn)換成放大了能把光柵的柵距轉(zhuǎn)換成放大了1000倍的莫爾條紋倍的莫爾條紋的寬度，從而大大簡(jiǎn)化了電子放大線路，這是光的寬度，從而大大簡(jiǎn)化了電子放大線路，這是光柵技術(shù)獨(dú)有的特點(diǎn)。柵技術(shù)獨(dú)有的特點(diǎn)。（2）莫爾條紋的變化規(guī)律）莫爾條紋的變化規(guī)律 長(zhǎng)短兩光柵相對(duì)移動(dòng)一個(gè)柵距長(zhǎng)短兩光柵相對(duì)移動(dòng)一個(gè)柵距W，莫爾條紋移動(dòng)，莫爾條紋移動(dòng)一個(gè)條紋間距一個(gè)條紋間距B，即光柵某一固定點(diǎn)的光強(qiáng)按明，即光柵某一固定點(diǎn)的光強(qiáng)按明暗暗明規(guī)律交替變化一次。光電元件

19、只要讀出明規(guī)律交替變化一次。光電元件只要讀出移動(dòng)的莫爾條紋條紋數(shù)，就知道光柵移動(dòng)了多少移動(dòng)的莫爾條紋條紋數(shù)，就知道光柵移動(dòng)了多少柵距，從而也就知道了運(yùn)動(dòng)部件的準(zhǔn)確位移量。柵距，從而也就知道了運(yùn)動(dòng)部件的準(zhǔn)確位移量。Question 如何解決光柵移動(dòng)時(shí)的辨向？如何解決光柵移動(dòng)時(shí)的辨向？3. 光柵的辨向與信號(hào)處理光柵的辨向與信號(hào)處理 為了既能計(jì)數(shù)，又能判別工作為了既能計(jì)數(shù)，又能判別工作臺(tái)移動(dòng)的方向，如圖所示的光臺(tái)移動(dòng)的方向，如圖所示的光柵用了柵用了4 4個(gè)光電元件。每個(gè)光電個(gè)光電元件。每個(gè)光電元件相距四分之一柵距（元件相距四分之一柵距（W/4W/4）。）。當(dāng)指示光柵相對(duì)標(biāo)尺光柵移動(dòng)當(dāng)指示光柵相對(duì)標(biāo)尺

20、光柵移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋通過(guò)各個(gè)光電元時(shí)，莫爾條紋通過(guò)各個(gè)光電元件的時(shí)間不一樣，光電元件的件的時(shí)間不一樣，光電元件的電信號(hào)雖然波形一樣，但相位電信號(hào)雖然波形一樣，但相位相差相差1/41/4周期。根據(jù)各光電元件周期。根據(jù)各光電元件輸出信號(hào)的相位關(guān)系，就可確輸出信號(hào)的相位關(guān)系，就可確定指示光柵移動(dòng)的方向。定指示光柵移動(dòng)的方向。 光敏元件A、B、A、B的間距是1/4紋距。 A、A為一組差動(dòng)信號(hào)，B、B為一組差動(dòng)信號(hào)，相位差為180度。差動(dòng)信號(hào)提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。 A和B兩組信號(hào)相位差為90度，用于辯向。根據(jù)正弦波信號(hào)周期的根據(jù)正弦波信號(hào)周期的數(shù)目可得出被測(cè)對(duì)象的數(shù)目可得出被測(cè)對(duì)象的位移；位移；根據(jù)正

21、弦波信號(hào)的頻率根據(jù)正弦波信號(hào)的頻率可得被測(cè)對(duì)象的速度；可得被測(cè)對(duì)象的速度；根據(jù)根據(jù)A A、B B兩相的相位超兩相的相位超前滯后關(guān)系可判斷被測(cè)前滯后關(guān)系可判斷被測(cè)對(duì)象的移動(dòng)方向。對(duì)象的移動(dòng)方向。 光柵在數(shù)控車(chē)床上的安裝位置光柵在數(shù)控車(chē)床上的安裝位置光柵在數(shù)控鏜銑床上的安裝位置光柵在數(shù)控鏜銑床上的安裝位置3. 3. 光電子調(diào)制光電子調(diào)制1 1）電光調(diào)制）電光調(diào)制 2 2）聲光調(diào)制）聲光調(diào)制3 3）磁光調(diào)制）磁光調(diào)制0 0 基本概念基本概念 8.3.1 8.3.1 光信號(hào)強(qiáng)度的調(diào)制光信號(hào)強(qiáng)度的調(diào)制是指某些晶體在電場(chǎng)作用下具有的是指某些晶體在電場(chǎng)作用下具有的雙折射效應(yīng)雙折射效應(yīng)，其雙折射效應(yīng)的其雙折射

22、效應(yīng)的大小與電場(chǎng)強(qiáng)度大小與電場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān)。有關(guān)。(1)(1) 電光效應(yīng)電光效應(yīng)o光光e光光光軸是指某些晶體在電場(chǎng)作用下具有的雙折射效應(yīng)，是指某些晶體在電場(chǎng)作用下具有的雙折射效應(yīng)，其雙折射效應(yīng)的大小與電場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān)。其雙折射效應(yīng)的大小與電場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān)。(1)(1) 電光效應(yīng)電光效應(yīng)3632oUnUU泡克耳斯泡克耳斯（Pockels）效應(yīng)）效應(yīng) U施加在電光晶體上的電壓施加在電光晶體上的電壓 U半波電壓半波電壓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若入射的是線偏光若入射的是線偏光檢偏器檢偏器偏振片偏振片P0AA20

23、0coscosIIAA(2)(2) 偏振元件偏振片偏振元件偏振片線偏光線偏光經(jīng)過(guò)經(jīng)過(guò)1/41/4波片波片eAoAA22sincosAAAAoe(3)(3) 1/4波片波片1 1） 電光調(diào)制電光調(diào)制電光效應(yīng)電光效應(yīng) 是指某些晶體在電場(chǎng)的作用下，具有是指某些晶體在電場(chǎng)的作用下，具有雙雙折射效應(yīng)折射效應(yīng)，其雙折射效應(yīng)的大小與電場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān)，其雙折射效應(yīng)的大小與電場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān)電光調(diào)制器電光調(diào)制器 是指利用晶體的電光效應(yīng)制成的調(diào)制器是指利用晶體的電光效應(yīng)制成的調(diào)制器調(diào)制頻率調(diào)制頻率10GHz ， 理論上可達(dá)理論上可達(dá)120GHz 3. 3. 光電子調(diào)制光電子調(diào)制光強(qiáng)度調(diào)制光強(qiáng)度調(diào)制基本思路：基本思路：電光調(diào)

24、制器電光調(diào)制器 輸入光輸入光（恒定強(qiáng)度）（恒定強(qiáng)度） 輸出光輸出光（交變強(qiáng)度）（交變強(qiáng)度） 變化的電場(chǎng)變化的電場(chǎng)（10GHz）1 1） 電光調(diào)制電光調(diào)制起起偏偏器器 輸入光輸入光 輸出光輸出光檢檢偏偏器器P1P2P1P2A 線偏振光振幅線偏振光振幅 為零為零起偏器和檢偏器起偏器和檢偏器相互正交相互正交，無(wú)輸出光無(wú)輸出光 1 1） 電光調(diào)制電光調(diào)制o光和光和e光之間產(chǎn)生光之間產(chǎn)生附加相位差附加相位差，有輸出光，有輸出光起起偏偏器器 輸出光輸出光檢檢偏偏器器P1P2P1P2AA0Ae不為零不為零1 1） 電光調(diào)制電光調(diào)制電光調(diào)制電光調(diào)制原理：原理： 3632oUnUU附加相位差附加相位差輸出光強(qiáng)輸

25、出光強(qiáng)與與輸入光強(qiáng)輸入光強(qiáng)之比之比（透過(guò)率）（透過(guò)率）)2(sin)()(2 inIoutIQuestion 如果電光晶體上施加的電壓不是直流，而如果電光晶體上施加的電壓不是直流，而是一正弦調(diào)制電壓，則？是一正弦調(diào)制電壓，則？3632oUnUU)2(sin)()(2 inIoutImm(sin) t mmsin()UUt輸出非線性！輸出非線性！解決辦法：解決辦法：2總相位差總相位差3632oUnUU222()/2sin ()()2I outI in3632onU輸出光強(qiáng)度調(diào)制輸出光強(qiáng)度調(diào)制mm(sin) t 2mmmmsin()()sin ( )24sinsin()12tI outI intm

26、msin()UUt2()/2sin ()()2I outI in1 1） 電光調(diào)制電光調(diào)制mmsinsin()tmmmm()sin()1()2I outtI in透射透射光強(qiáng)光強(qiáng)受到受到了信號(hào)電壓的了信號(hào)電壓的調(diào)制調(diào)制 ！mm()sin()1()2I outtI in電光調(diào)制器電光調(diào)制器小結(jié)小結(jié)原理：原理： 3632oUnUU22附加相位差附加相位差電光調(diào)制器電光調(diào)制器小結(jié)小結(jié)調(diào)制頻率調(diào)制頻率10GHz10GHz，理論上可達(dá)，理論上可達(dá)120GHz 120GHz 可以作成幾乎沒(méi)有慣性的可以作成幾乎沒(méi)有慣性的光閥光閥 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： 透光比（光傳輸比）小于透光比（光傳輸比）小于1 1

27、 若全透，則半波電壓高（幾千伏）若全透，則半波電壓高（幾千伏） 3632oUnUU)2(sin)()(2 inIoutI (1) (1) 聲光效應(yīng)聲光效應(yīng) (2) (2) 聲光效應(yīng)的兩種類型聲光效應(yīng)的兩種類型 (3) (3) 聲光調(diào)制器聲光調(diào)制器 3. 3. 光電子調(diào)制光電子調(diào)制2 2） 聲光調(diào)制（聲光調(diào)制（AOM, Acousto-optical Modulators） (1) 聲光效應(yīng)聲光效應(yīng) 當(dāng)聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，會(huì)引起介質(zhì)密度（折當(dāng)聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，會(huì)引起介質(zhì)密度（折射率）發(fā)生疏密交替的射率）發(fā)生疏密交替的周期性變化周期性變化聲光柵聲光柵（彈光效應(yīng)）（彈光效應(yīng)）衍射光柵衍射光柵聲光柵

28、聲光柵行波行波聲光柵柵聲光柵柵面在空間面在空間移動(dòng)移動(dòng) 駐波駐波聲光柵固聲光柵固定定不移動(dòng)不移動(dòng) 當(dāng)光波通過(guò)當(dāng)光波通過(guò)聲光柵聲光柵時(shí)，衍射光的強(qiáng)度、頻率、方向時(shí)，衍射光的強(qiáng)度、頻率、方向等隨超聲場(chǎng)變化等隨超聲場(chǎng)變化聲光效應(yīng)。聲光效應(yīng)。喇曼奈斯衍射：喇曼奈斯衍射： 布拉格衍射：布拉格衍射： 條件：條件：超聲波頻率較超聲波頻率較低低（10MHz），聲光作用長(zhǎng)，聲光作用長(zhǎng)度度L較小較小，光束，光束垂直垂直聲波傳聲波傳輸方向輸方向條件：條件：超聲波頻率較超聲波頻率較高高、聲光、聲光作用長(zhǎng)度作用長(zhǎng)度L較大較大，光束與聲波波，光束與聲波波面間以一定的角度面間以一定的角度斜入射斜入射 。入。入射角與衍射角相

29、等射角與衍射角相等 (2) 兩種聲光效應(yīng)兩種聲光效應(yīng) 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： 特點(diǎn)：特點(diǎn)：平面光柵平面光柵，多級(jí)衍，多級(jí)衍射，射，零級(jí)光最強(qiáng)零級(jí)光最強(qiáng)，其他級(jí)衍，其他級(jí)衍射光對(duì)稱地分布在零級(jí)光兩射光對(duì)稱地分布在零級(jí)光兩側(cè)，光強(qiáng)依次遞減。側(cè)，光強(qiáng)依次遞減。 特點(diǎn)：特點(diǎn)：體光柵體光柵，只出現(xiàn)，只出現(xiàn)零級(jí)和一級(jí)衍射光零級(jí)和一級(jí)衍射光;超聲場(chǎng)超聲場(chǎng)足夠強(qiáng)，足夠強(qiáng)，入射能量幾乎入射能量幾乎（可達(dá)（可達(dá)97）全部轉(zhuǎn)移到）全部轉(zhuǎn)移到1級(jí)級(jí)（1級(jí)）級(jí)）布拉格聲光衍射布拉格聲光衍射光能利用率高，因而大部分調(diào)制

30、器均光能利用率高，因而大部分調(diào)制器均采用行波聲場(chǎng)的采用行波聲場(chǎng)的布拉格型聲光調(diào)制器布拉格型聲光調(diào)制器！ （3 3）聲光調(diào)制器）聲光調(diào)制器衍射光衍射光強(qiáng)度調(diào)制強(qiáng)度調(diào)制衍射光頻率調(diào)制衍射光頻率調(diào)制衍射光方向調(diào)制衍射光方向調(diào)制應(yīng)用：應(yīng)用：(3)(3)聲光調(diào)制器聲光調(diào)制器衍射光衍射光強(qiáng)度調(diào)制強(qiáng)度調(diào)制布拉格型聲光調(diào)制器布拉格型聲光調(diào)制器 21isin ( )2II1 1級(jí)（或級(jí)（或1 1級(jí)）光輸出級(jí)）光輸出IiI1s P附加相移(3)(3)聲光調(diào)制器聲光調(diào)制器衍射光衍射光強(qiáng)度調(diào)制強(qiáng)度調(diào)制布拉格型聲光調(diào)制器布拉格型聲光調(diào)制器 輸入圖像、聲音信號(hào)輸入圖像、聲音信號(hào)強(qiáng)度調(diào)制光信號(hào)強(qiáng)度調(diào)制光信號(hào)10.5sinm

31、iItI1ii0.5sinmIIIt21isin ( )2II工作點(diǎn)上移工作點(diǎn)上移衍射光頻率調(diào)制衍射光頻率調(diào)制衍射光方向調(diào)制衍射光方向調(diào)制衍射光方向調(diào)制衍射光方向調(diào)制8.3 光信號(hào)調(diào)制的基本方法光信號(hào)調(diào)制的基本方法可調(diào)參數(shù)：可調(diào)參數(shù)： 光強(qiáng)、光強(qiáng)、振幅、頻率、相位、振幅、頻率、相位、 偏振方向偏振方向、傳播方向傳播方向， 8.3.2 光信號(hào)相位的調(diào)制光信號(hào)相位的調(diào)制 8.3.1 光信號(hào)光信號(hào)強(qiáng)度強(qiáng)度的調(diào)制的調(diào)制 8.3.3 光信號(hào)光信號(hào)頻率頻率的調(diào)制的調(diào)制 8.3.4 光信號(hào)光信號(hào)偏振偏振的調(diào)制的調(diào)制 8.3.2 光信號(hào)相位的調(diào)制光信號(hào)相位的調(diào)制 1. 電光相位調(diào)制電光相位調(diào)制2. 光學(xué)干涉儀

32、光學(xué)干涉儀可實(shí)現(xiàn)相位調(diào)制的常見(jiàn)方法可實(shí)現(xiàn)相位調(diào)制的常見(jiàn)方法相位變化：相位變化： =2 nL/0 012()ddnn dLL dFdFL dFF為被測(cè)參量為被測(cè)參量 單位長(zhǎng)度光路內(nèi)由被測(cè)參量引起的相位變化：?jiǎn)挝婚L(zhǎng)度光路內(nèi)由被測(cè)參量引起的相位變化： ctftt022 1. 電光相位調(diào)制電光相位調(diào)制xxnLc xznDE 可以實(shí)現(xiàn)對(duì)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)單束單束相干光波相位的調(diào)制相干光波相位的調(diào)制 L附加相位差附加相位差Vx y 2. 光學(xué)干涉儀光學(xué)干涉儀可以實(shí)現(xiàn)可以實(shí)現(xiàn)兩束兩束以上相干光波相位差的調(diào)制以上相干光波相位差的調(diào)制 相位變化：相位變化： =2 nL/0 012()ddnn dLL dFdFL dFF

33、為被測(cè)參量為被測(cè)參量 干涉條件：頻率相同、偏振相同、相位差恒定干涉條件：頻率相同、偏振相同、相位差恒定邁克爾遜干涉儀邁克爾遜干涉儀（MichelsonMichelson） 吉曼干涉儀吉曼干涉儀Gell-Mann Gell-Mann 法布里珀羅法布里珀羅FabryFabry-Perot-Perot光學(xué)干涉儀光學(xué)干涉儀（空氣空氣光程）光程）光纖式干涉儀光纖式干涉儀（光纖光纖光程）光程）光纖傳感器光纖傳感器等傾干涉圖樣示意圖等傾干涉圖樣示意圖等厚干涉圖樣示意圖等厚干涉圖樣示意圖 基于基于Mach-Zehnder結(jié)構(gòu)的電光效應(yīng)光開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)的電光效應(yīng)光開(kāi)關(guān) 8.3.3 光信號(hào)頻率的調(diào)制光信號(hào)頻率的調(diào)制 工

34、程上常采用的頻率調(diào)制技術(shù)大致三種：工程上常采用的頻率調(diào)制技術(shù)大致三種： 運(yùn)動(dòng)參量調(diào)頻運(yùn)動(dòng)參量調(diào)頻固定頻移固定頻移直接光頻調(diào)制直接光頻調(diào)制可調(diào)參數(shù)：可調(diào)參數(shù)： 光強(qiáng)、振幅、光強(qiáng)、振幅、頻率頻率、相位、相位、 偏振方向、傳播方向，偏振方向、傳播方向， 1.運(yùn)動(dòng)參量調(diào)頻運(yùn)動(dòng)參量調(diào)頻1 1）光學(xué)多普勒（）光學(xué)多普勒（DopplerDoppler）效應(yīng)和運(yùn)動(dòng)差頻）效應(yīng)和運(yùn)動(dòng)差頻2 2）薩格納克（）薩格納克（SagnacSagnac）效應(yīng)和轉(zhuǎn)動(dòng)差頻）效應(yīng)和轉(zhuǎn)動(dòng)差頻vv光頻變化與線速度：光頻變化與線速度：光頻變化與角速度：光頻變化與角速度：運(yùn)動(dòng)物體能改變?nèi)肷溆谄渖系倪\(yùn)動(dòng)物體能改變?nèi)肷溆谄渖系墓獠l率光波頻率

35、的現(xiàn)象稱作的現(xiàn)象稱作光學(xué)多普勒效應(yīng)光學(xué)多普勒效應(yīng)。1.運(yùn)動(dòng)參量調(diào)頻運(yùn)動(dòng)參量調(diào)頻1 1）光學(xué)多普勒效應(yīng)和運(yùn)動(dòng)差頻）光學(xué)多普勒效應(yīng)和運(yùn)動(dòng)差頻運(yùn)動(dòng)物體能改變?nèi)肷溆谄渖系倪\(yùn)動(dòng)物體能改變?nèi)肷溆谄渖系墓獠l率光波頻率的現(xiàn)象稱作的現(xiàn)象稱作光學(xué)多普勒效應(yīng)光學(xué)多普勒效應(yīng)。頻頻 移：移：s0s01vvv(rr ) 多普勒效應(yīng)多普勒效應(yīng)v光（電磁波）的多普勒效應(yīng)計(jì)算公式分為以下三種：光（電磁波）的多普勒效應(yīng)計(jì)算公式分為以下三種： （a）縱向多普勒效應(yīng)）縱向多普勒效應(yīng)（即波源的速度與波源與接收器的連線共線）：（即波源的速度與波源與接收器的連線共線）： 其中其中v為波源與接收器的相對(duì)速度。當(dāng)波源與觀察者接近時(shí)，為波源與

36、接收器的相對(duì)速度。當(dāng)波源與觀察者接近時(shí)，v取正，稱取正，稱為為“紫移紫移”或或“藍(lán)移藍(lán)移”；否則；否則v取負(fù)，稱為取負(fù)，稱為“紅移紅移”。（b）橫向多普勒效應(yīng)）橫向多普勒效應(yīng)（即波源的速度與波源與接收器的連線垂直）：（即波源的速度與波源與接收器的連線垂直）： （c）普遍多普勒效應(yīng)）普遍多普勒效應(yīng)（多普勒效應(yīng)的一般情況）：（多普勒效應(yīng)的一般情況）：其中其中=v/c，為接收器與波源的連線到速度方向的夾角。縱向與橫向多為接收器與波源的連線到速度方向的夾角。縱向與橫向多普勒效應(yīng)分別為普勒效應(yīng)分別為取取0或或/2時(shí)的特殊情況時(shí)的特殊情況2/1 ccff 2/121 ff cos112/12 ff特殊地，

37、特殊地， rs-r0 2 v 多普勒頻移的大小等于散射物體的運(yùn)動(dòng)速度在多普勒強(qiáng)度方向上的分量和入射光波長(zhǎng)的比值： 頻移數(shù)量級(jí)：頻移數(shù)量級(jí)：例如，例如，0.4880m的氬離子激光，的氬離子激光，8.5o，被測(cè)流速，被測(cè)流速264m/s， v 77MHz當(dāng)r0和rs相對(duì)v對(duì)稱分布并且滿足對(duì)稱分布并且滿足09 0222vsin2 2）薩格納克（）薩格納克（SagnacSagnac）效應(yīng)和轉(zhuǎn)動(dòng)差頻）效應(yīng)和轉(zhuǎn)動(dòng)差頻 當(dāng)封閉的光路相對(duì)于慣性空間有一轉(zhuǎn)動(dòng)角速度當(dāng)封閉的光路相對(duì)于慣性空間有一轉(zhuǎn)動(dòng)角速度時(shí)，時(shí)，順時(shí)針順時(shí)針光路和光路和逆時(shí)針逆時(shí)針光路之間將形成與轉(zhuǎn)速光路之間將形成與轉(zhuǎn)速成正比的光程差成正比的光程

38、差LL，其數(shù)值滿足關(guān)系，其數(shù)值滿足關(guān)系 閉合光路的閉合光路的正正反向光路光程差隨轉(zhuǎn)速改變的現(xiàn)象反向光路光程差隨轉(zhuǎn)速改變的現(xiàn)象-薩格納克效應(yīng)薩格納克效應(yīng)。 L(4A/c)24L222RARRtRCC2 2）薩格納克效應(yīng)和轉(zhuǎn)動(dòng)差頻）薩格納克效應(yīng)和轉(zhuǎn)動(dòng)差頻討論：討論：用薩格納克效應(yīng)用薩格納克效應(yīng) 測(cè)量測(cè)量地球自轉(zhuǎn)速度地球自轉(zhuǎn)速度L(4A/c)地球自轉(zhuǎn) =150/小時(shí) =0.6328m 2600 300Am實(shí)驗(yàn)不可能?。ㄅc足球場(chǎng)比較）0.1744Lm 不易觀察260 30Am4 0 0L -更難觀察更難觀察！光程差法：光程差法：L ？2)2)薩格納克效應(yīng)和轉(zhuǎn)動(dòng)差頻薩格納克效應(yīng)和轉(zhuǎn)動(dòng)差頻L ？v反射鏡組

39、成激光諧振腔反射鏡組成激光諧振腔 -環(huán)形激光器環(huán)形激光器 頻率與腔長(zhǎng)的關(guān)系：頻率與腔長(zhǎng)的關(guān)系：vLvL4 AvKL L(4A/c)光頻差法：光頻差法：1.運(yùn)動(dòng)參量調(diào)頻運(yùn)動(dòng)參量調(diào)頻激光器激光器 對(duì)于頻率信號(hào)，電子設(shè)備可以對(duì)于頻率信號(hào)，電子設(shè)備可以敏感到敏感到0.005Hz，可用儀器準(zhǔn)確，可用儀器準(zhǔn)確測(cè)出。測(cè)出。環(huán)形激光器環(huán)形激光器 光學(xué)差頻檢測(cè)裝置 激光陀螺激光陀螺4AvKL -測(cè)角速度測(cè)角速度 -測(cè)角度測(cè)角度 04tANdtL國(guó)產(chǎn)國(guó)產(chǎn)激光陀激光陀螺螺測(cè)量角速測(cè)量角速度的精度優(yōu)度的精度優(yōu)于于0.01o/hr 激光陀螺激光陀螺 -在捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)應(yīng)用在捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)應(yīng)用02年珠海航展慣導(dǎo)產(chǎn)品年珠海航展

40、慣導(dǎo)產(chǎn)品俄羅斯改進(jìn)空地制導(dǎo)武器俄羅斯改進(jìn)空地制導(dǎo)武器 中國(guó)激光陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)中國(guó)激光陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng) 2. 固定頻移固定頻移利用利用光學(xué)光學(xué)和和光電子學(xué)光電子學(xué)等方法可制成頻率偏移器件等方法可制成頻率偏移器件光譜在外加磁場(chǎng)下發(fā)生分裂。 塞曼效應(yīng)：塞曼效應(yīng)：23MHz 幾種方法的頻移幾種方法的頻移對(duì)比對(duì)比：聲光效應(yīng)：聲光效應(yīng)：100MHz，變換效率，變換效率80 旋轉(zhuǎn)波片：旋轉(zhuǎn)波片： 23kHz，變換效率，變換效率90 旋轉(zhuǎn)光柵：旋轉(zhuǎn)光柵： 20MHz，變換頻率，變換頻率20 2. 固定頻移固定頻移(2)旋轉(zhuǎn)波片激光頻移旋轉(zhuǎn)波片激光頻移 頻移受限在頻移受限在2 3kHz以下以下 /4 /4波片

41、：波片： /2/2波片：波片： 線偏振線偏振激光通過(guò)激光通過(guò)/4/4波片波片1 1后輸出后輸出圓偏振光圓偏振光 /4 /4波片光軸波片光軸 P P 線偏振激光矢量線偏振激光矢量-450 線偏振激光通過(guò)半波線偏振激光通過(guò)半波片后輸出片后輸出偏振面轉(zhuǎn)過(guò)偏振面轉(zhuǎn)過(guò)22角度角度 半波片光軸半波片光軸(2)(2)旋轉(zhuǎn)波片激光頻移旋轉(zhuǎn)波片激光頻移 半波片光軸半波片光軸 半波片光軸半波片光軸圓偏振光圓偏振光以以旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)線偏振光線偏振光角頻率角頻率旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)半波片，輸出半波片，輸出園偏振光頻率園偏振光頻率+2線偏振激光通過(guò)半波片后線偏振激光通過(guò)半波片后 輸出偏振面轉(zhuǎn)過(guò)輸出偏振面轉(zhuǎn)過(guò)2角度角度(2)(2)旋轉(zhuǎn)波片激光頻移旋轉(zhuǎn)波片激光頻移 線偏振激光線偏振激光圓偏振光圓偏振光+2+2圓偏振光圓偏振