第3章-光束的調(diào)制和掃描教案資料

1、第3章 光束(gungsh)的調(diào)制和掃描光電子技術(shù)(jsh)基礎(chǔ)厚德博學(xué) 求實(qish)創(chuàng)新第一頁，共94頁。學(xué)習(xí)學(xué)習(xí)(xux)目標(biāo)目標(biāo) 通過(tnggu)本章學(xué)習(xí)，掌握光束調(diào)制的原理和方法，掌握 電光調(diào)制、聲光調(diào)制、磁光調(diào)制等調(diào)制方法的原理、特性等知識。了解光束掃描技術(shù)、空間光調(diào)制器的原理和方法，為光束的調(diào)制和掃描及其器件的設(shè)計打下基礎(chǔ)。 第二頁，共94頁。第三章第三章 光束的調(diào)制光束的調(diào)制(tiozh)和掃描和掃描教學(xué)目的教學(xué)目的1、牢固掌握光束調(diào)制原理。、牢固掌握光束調(diào)制原理。 2、牢固掌握電光調(diào)制、聲光調(diào)制的原理。、牢固掌握電光調(diào)制、聲光調(diào)制的原理。3、了解光束掃描技術(shù)、空間、了解光

2、束掃描技術(shù)、空間(kngjin)光調(diào)制器。光調(diào)制器。教學(xué)重點與難點教學(xué)重點與難點重點：光束調(diào)制原理、電光調(diào)制、聲光調(diào)制的原理。重點：光束調(diào)制原理、電光調(diào)制、聲光調(diào)制的原理。難點：電致折射率變化，電光相位延時分析。難點：電致折射率變化，電光相位延時分析。第三頁，共94頁。3.1 光束調(diào)制光束調(diào)制(tiozh)原理原理l要用激光要用激光(jgung)作為信息的載體，就必須作為信息的載體，就必須解決如何將信息加到激光解決如何將信息加到激光(jgung)上去的問上去的問題題 。信息的載體激光如何將信息加到激光上調(diào)制(tiozh)（將信息加載到激光的過程）（將信息加載到激光的過程）調(diào)制器第四頁，共94頁

3、。l光波的電場為：l式中Ac為振幅，wc為角頻率，jc為相位角。l l 既然光束具有振幅、頻率、相位、強(qiáng)度和偏振(pin zhn)等參量，如果能夠應(yīng)用某種物理方法改變光波的這些參量之一，使其按照調(diào)制信號的規(guī)律變化，那么激光束就受到了信號的調(diào)制，達(dá)到“運(yùn)載”信息的目的。)cos()(ccctAtE第五頁，共94頁。l實現(xiàn)激光束調(diào)制的方法，根據(jù)調(diào)制器與激光器的關(guān)系可以分為：l 內(nèi)調(diào)制(直接調(diào)制)和外調(diào)制l內(nèi)調(diào)制：指加載信號是在激光振蕩過程中進(jìn)行的，以調(diào)制信號改變激光器的振蕩參數(shù)(cnsh)，從而改變激光器輸出特性以實現(xiàn)調(diào)制。l外調(diào)制：指激光形成之后，在激光器的光路上放置調(diào)制器，用調(diào)制信號改變調(diào)制器

4、的物理性能，當(dāng)激光束通過調(diào)制器時，使光波的某個參量受到調(diào)制。第六頁，共94頁。l光束調(diào)制按其調(diào)制的性質(zhì)可分為：調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相及強(qiáng)度調(diào)制等。l1、振幅調(diào)制l若調(diào)制信號(xnho)是一時間的余弦函數(shù)，即：tAtammcos)(調(diào)幅(dio f)波的表達(dá)式為：)cos(cos1 )(ccmacttmAtE第七頁，共94頁。)cos(2)cos(2)cos()(cmccacmccaccctAmtAmtAtE調(diào)幅(dio f)波的頻譜為：載頻載頻(zi pn)分量分量邊頻分量邊頻分量(fn ling)調(diào)幅系數(shù)其中,cmaAAm 2caAmmccmc2caAmcAm2第八頁，共94頁。2、頻率調(diào)制和相位

5、調(diào)制、頻率調(diào)制和相位調(diào)制 調(diào)頻或調(diào)相就是光載波的頻率或相位隨著調(diào)制信號的調(diào)頻或調(diào)相就是光載波的頻率或相位隨著調(diào)制信號的變化規(guī)律而改變的振蕩變化規(guī)律而改變的振蕩(zhndng)。 對頻率調(diào)制來說，就是式中的角頻率對頻率調(diào)制來說，就是式中的角頻率c隨調(diào)隨調(diào)制信號變化：制信號變化： )()()(takttfcccmmfccmfccmtdwktwdttwkwdttwttwta)sin()cos()()()cos()(調(diào)制波的總相角為：其中：第九頁，共94頁。)sincos()(cmfcctmtAtE調(diào)頻調(diào)頻(dio pn)系數(shù)系數(shù)mmmffwwwAkm則調(diào)制(tiozh)波的表達(dá)式為:第十頁，共94頁

6、。 同樣，相位調(diào)制就是(jish) 相位角c隨調(diào)制信號的變化規(guī)律而變化，則調(diào)相波的表達(dá)式為 由于調(diào)頻和調(diào)相實質(zhì)上最終都是調(diào)制總相角，因此可寫成統(tǒng)一的形式 )sincos()(cmcctmtAtE)sincos()(cmcctmtAtE調(diào)相系數(shù)調(diào)相系數(shù)(xsh)mAkm第十一頁，共94頁。3、 強(qiáng)度調(diào)制 光強(qiáng) 隨調(diào)制信號規(guī)律變化的激光(jgung)振蕩光束調(diào)制多采用強(qiáng)度調(diào)制形式，這是因為接收器一般都是直接響應(yīng)其所接收的光強(qiáng)。 光束強(qiáng)度定義為光波電場的平方 于是，強(qiáng)度調(diào)制的光強(qiáng)可表示為：)(cos)()(222ccctAtEtI)(cos)(1 2)(22ccpcttakAtI光強(qiáng)比例(bl)系數(shù)

7、第十二頁，共94頁。l仍設(shè)調(diào)制信號(xnho)是單頻余弦波，則)(coscos1 2)(22ccmpcttmAtI強(qiáng)度調(diào)制系數(shù)mppAkm 以上幾種調(diào)制方式所得到的調(diào)制波都是一種連續(xù)振蕩波，統(tǒng)稱(tngchng)為模擬調(diào)制。I(t)t調(diào)制信號載波第十三頁，共94頁。4、 脈沖調(diào)制 模擬調(diào)制：調(diào)制波是一種連續(xù)振蕩波。 脈沖調(diào)制 數(shù)字式調(diào)制 脈沖調(diào)制：用間歇的周期性脈沖序列作為載波，并使載波的某一參量按調(diào)制信號規(guī)律變化(binhu)的調(diào)制方法。不連續(xù)(linx)狀態(tài)下進(jìn)行調(diào)制先電調(diào)制(tiozh)，再光強(qiáng)度調(diào)制(tiozh)光脈沖序列對光載波進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制電脈沖序列調(diào)制模擬調(diào)制信號光調(diào)制電調(diào)制第十四

8、頁，共94頁。(a) 調(diào)制信號(b) 脈沖幅度調(diào)制(c) 脈沖寬度調(diào)制(d) 脈沖頻率調(diào)制(e) 脈沖位置調(diào)制 第十五頁，共94頁。5、 脈沖編碼(bin m)調(diào)制 三個過程：（1）抽樣：把連續(xù)信號波分割成不連續(xù)的脈沖波，用一定的脈沖列來表示 。 模擬信號 變成 脈幅調(diào)制信號強(qiáng)度調(diào)制二進(jìn)制編碼電脈沖序列調(diào)制模擬調(diào)制信號光調(diào)制電調(diào)制第十六頁，共94頁。（2）量化：分級取“整” 變?yōu)閿?shù)字信號（3）編碼：把量化后的數(shù)字信號變換成相應(yīng)的 二進(jìn)制碼的過程。 “1” 激光(jgung)載波的極大值； “0” 激光(jgung)載波的零值。第十七頁，共94頁。3.2 電光(dingung)調(diào)制利用電光效應(yīng)(

9、xioyng)可實現(xiàn)強(qiáng)度調(diào)制和相位調(diào)制。本節(jié)以KDP電光晶體為例討論。3.2.1. 電光晶體基礎(chǔ) 利用縱向電光效應(yīng)(xioyng)和橫向電光效應(yīng)(xioyng)均可實現(xiàn)電光強(qiáng)度調(diào)制。第十八頁，共94頁。l（1） 電致折射率的變化l 外加電場(din chng)的方向平行于 z 軸l 將x坐標(biāo)和y坐標(biāo)繞z軸旋轉(zhuǎn)45角ezzooyzooxnnErnnnErnnn6336332121第十九頁，共94頁。l（2）電光相位延遲(ynch)l 縱向電光效應(yīng)電場方向與光束在晶體電場方向與光束在晶體(jngt)中的傳播方向一中的傳播方向一致致Vrno 6332VV第二十頁，共94頁。l橫向橫向(hn xin)

10、電光效應(yīng)電光效應(yīng)電場電場(din chng)與與光束在晶體中的傳播光束在晶體中的傳播方向垂直。方向垂直。 VdLrnozx)(6330與外加電場與外加電場(din chng)無關(guān)，無關(guān)，是由晶體本身自然雙折射引起的是由晶體本身自然雙折射引起的電光效應(yīng)電光效應(yīng)相位延遲相位延遲第二十一頁，共94頁。3.2.2 電光強(qiáng)度調(diào)制電光強(qiáng)度調(diào)制(tiozh)和電光相位調(diào)和電光相位調(diào)制制(tiozh)1. 電光強(qiáng)度調(diào)制電光強(qiáng)度調(diào)制外加電場外加電場(din chng)使得晶體的折射率發(fā)生變化，這便是使得晶體的折射率發(fā)生變化，這便是電光調(diào)制的物理基礎(chǔ)。加電場電光調(diào)制的物理基礎(chǔ)。加電場(din chng)通常有兩種

11、方通常有兩種方式：一是電場式：一是電場(din chng)沿晶體主軸軸（光軸方向），沿晶體主軸軸（光軸方向），電場電場(din chng)與光束傳播方向平行，即產(chǎn)生縱向電光與光束傳播方向平行，即產(chǎn)生縱向電光效應(yīng)；二是電場效應(yīng)；二是電場(din chng)沿晶體的任一主軸軸，而光沿晶體的任一主軸軸，而光束的傳播方向與電場束的傳播方向與電場(din chng)方向垂直，即產(chǎn)生橫向方向垂直，即產(chǎn)生橫向電光效應(yīng)。這兩種效應(yīng)均可實現(xiàn)電光強(qiáng)度調(diào)制。電光效應(yīng)。這兩種效應(yīng)均可實現(xiàn)電光強(qiáng)度調(diào)制。 第二十二頁，共94頁?？v向電光調(diào)制器及其工作(gngzu)原理縱向電光強(qiáng)度調(diào)制起的結(jié)構(gòu)如圖所示入射光P1Iixyzx

12、yP2Io調(diào)制光VL起偏器/4波片檢偏器第二十三頁，共94頁。l進(jìn)入(jnr)晶體后被分解為沿x和y方向的兩個分量，其振幅和相位都相同，分別為：l入射光強(qiáng)度為l 通過長度為L的晶體之后， 和 兩個分量之間產(chǎn)生了一相位差 ，則有 ， 。tAEtAEcycxcos)0(cos)0()exp()0()exp()0(tiAEtiAEcycx， 或 222*2)0()0(AEEEEIyxixEyEALEx)(iyAeLE)(第二十四頁，共94頁。l那么，通過檢偏器后的總電場強(qiáng)度(qingd)是 和 在y方向的投影之和，即)(LEx)(LEy) 1(2)(ioyeAE2sin2) 1)(1(2)()(22

13、2*AeeAEEIiioyoyoVVIITio2sin2sin22與之相應(yīng)(xingyng)的輸出光強(qiáng)為：調(diào)制器的透過(tu u)率 第二十五頁，共94頁。50100透過率(%)0透射光強(qiáng)時間電壓調(diào)制電壓VV/2第二十六頁，共94頁。l可見，在一般情況下，調(diào)制器的輸出特性與外加電壓的關(guān)系是非線性的。 l 調(diào)制光強(qiáng)發(fā)生畸變 l1、附加一個 的固定偏壓l 會增加電路的復(fù)雜性，而且工作點的穩(wěn)定性也差 。l2、在調(diào)制器的光路上(l shng)插入一/4波片，解決辦法2/VxEyE和兩個分量(fn ling)之間產(chǎn)生/2的固定相位差 第二十七頁，共94頁。l于是總相位差為l調(diào)制的透過(tu u)率可表示

14、為ttVVmmmmsin2sin2)sinsin(1 21sin24sin2ttIITmmmmiorad1VVmm線性調(diào)制的判據(jù)線性調(diào)制的判據(jù)(pn j)： 第二十八頁，共94頁。l優(yōu)點：l 具有結(jié)構(gòu)簡單；l 工作穩(wěn)定；l 不存在自然雙折射的影響等。l 缺點：l 半波(bn b)電壓太高，特別在調(diào)制頻率較高時；l 功率損耗比較大。第二十九頁，共94頁。 橫向電光調(diào)制橫向電光調(diào)制在此僅以在此僅以KDP晶體晶體(jngt)的第一類運(yùn)用方的第一類運(yùn)用方式為代表進(jìn)行分析式為代表進(jìn)行分析沿沿z軸方向加電場，通光方向垂直于軸方向加電場，通光方向垂直于z軸，軸，并與并與x軸或軸或y軸成軸成45夾角夾角(晶體

15、晶體(jngt)為為45-z切割切割)。第三十頁，共94頁。V-xzyxL光的偏振方向入射光調(diào)制晶體調(diào)制光 檢偏器（垂直入射偏振光）橫向電光調(diào)制示意圖dezzyzxnnEnnnEnnn63300633002121第三十一頁，共94頁。l從晶體出射兩光波的相位差為 :l 可見，KDP晶體的橫向(hn xin)電光效應(yīng)使光波通過晶體后的相位延遲包括兩項：l 第一項:是與外電場無關(guān)的晶體本身的自然雙折射引起的相位延遲 ;l 第二項:是外電場作用產(chǎn)生的相位延遲 )(21)(2)(2633VdLrnLnnLnnoeozx第三十二頁，共94頁。下圖所示的是一電光下圖所示的是一電光(dingung)相位調(diào)制

16、的原理圖，它由起偏器和電光相位調(diào)制的原理圖，它由起偏器和電光(dingung)晶體組成。起偏器的偏振方向平行于晶體的感應(yīng)主軸晶體組成。起偏器的偏振方向平行于晶體的感應(yīng)主軸x(或或y)，此時入射晶體的線偏振光不再分解成沿，此時入射晶體的線偏振光不再分解成沿x、y兩個分量，而是兩個分量，而是沿著沿著x(或或y)軸一個方向偏振，故外電場不改變出射光的偏振狀態(tài)，軸一個方向偏振，故外電場不改變出射光的偏振狀態(tài)，僅改變其相位，相位的變化為僅改變其相位，相位的變化為 2 電光相位電光相位(xingwi)調(diào)制調(diào)制cxxn Lc 第三十三頁，共94頁。 x xzL調(diào)制光電光晶體入射光偏振器載波相位調(diào)制波電光相位

17、調(diào)制原理圖第三十四頁，共94頁。這里的這里的 因為光波只沿因為光波只沿x方向偏振，相應(yīng)的折射率為方向偏振，相應(yīng)的折射率為 。若。若 外加電場是外加電場是 , 在晶體入射面在晶體入射面(z0)處的光場處的光場 ，則輸出光場，則輸出光場(zL處處)就變?yōu)榫妥優(yōu)槁匀ナ街邢嘟堑某?shù)項，因為它對調(diào)制效果沒有影響，則上式可寫略去式中相角的常數(shù)項，因為它對調(diào)制效果沒有影響，則上式可寫成成 式中式中 稱為相位調(diào)制系數(shù)。稱為相位調(diào)制系數(shù)。36312xooznnnE3631cos(sin) 2cccoommAtnnEt Lccos(sin)outccmEAtmt363omnE Lm第三十五頁，共94頁。一個高質(zhì)量

18、的電光調(diào)制器主要應(yīng)滿足以下幾個方面的要求：一個高質(zhì)量的電光調(diào)制器主要應(yīng)滿足以下幾個方面的要求：(1). 調(diào)制器應(yīng)有足夠?qū)挼恼{(diào)制帶寬，以滿足高效率無畸變地傳輸調(diào)制器應(yīng)有足夠?qū)挼恼{(diào)制帶寬，以滿足高效率無畸變地傳輸 信息信息(xnx)。(2).調(diào)制器消耗的電功率小。調(diào)制器消耗的電功率小。(3).調(diào)制特性曲線的線性范圍大。調(diào)制特性曲線的線性范圍大。(4).工作穩(wěn)定性好。工作穩(wěn)定性好。設(shè)計設(shè)計(shj)電光調(diào)制器應(yīng)考慮的問題電光調(diào)制器應(yīng)考慮的問題第三十六頁，共94頁。3.3 聲光(shn un)調(diào)制l光波光波(gungb)在聲光晶體中的傳播在聲光晶體中的傳播l聲波是彈性波，在介質(zhì)中傳播時，會使介質(zhì)的彈性

19、形變或者聲波是彈性波，在介質(zhì)中傳播時，會使介質(zhì)的彈性形變或者介質(zhì)的密度發(fā)生周期性的疏密變化，從而引起介質(zhì)中光折射介質(zhì)的密度發(fā)生周期性的疏密變化，從而引起介質(zhì)中光折射率的相應(yīng)變化，影響光在介質(zhì)中的傳播特性。這種效應(yīng)使得率的相應(yīng)變化，影響光在介質(zhì)中的傳播特性。這種效應(yīng)使得聲光介質(zhì)形成一位相光柵，光柵常數(shù)為聲波波長。出射光發(fā)聲光介質(zhì)形成一位相光柵，光柵常數(shù)為聲波波長。出射光發(fā)生多級衍射，使得光束在傳播方向，頻率和強(qiáng)度分布等都發(fā)生多級衍射，使得光束在傳播方向，頻率和強(qiáng)度分布等都發(fā)生規(guī)律性變化，這種現(xiàn)象稱為聲光效應(yīng)。生規(guī)律性變化，這種現(xiàn)象稱為聲光效應(yīng)。 第三十七頁，共94頁。彈光效應(yīng)：由于外力作用而引起

20、彈光效應(yīng)：由于外力作用而引起(ynq)光學(xué)性質(zhì)變化的光學(xué)性質(zhì)變化的現(xiàn)象。現(xiàn)象。 聲波作為一種彈性波，在晶體中傳播時，會造成介質(zhì)聲波作為一種彈性波，在晶體中傳播時，會造成介質(zhì)密度的疏密變化，使得介質(zhì)的折射率分布也隨之改變。密度的疏密變化，使得介質(zhì)的折射率分布也隨之改變。 聲光效應(yīng)：由于聲波作用而引起聲光效應(yīng)：由于聲波作用而引起(ynq)光學(xué)性質(zhì)變化光學(xué)性質(zhì)變化的現(xiàn)象，聲光效應(yīng)是彈光效應(yīng)的一種。的現(xiàn)象，聲光效應(yīng)是彈光效應(yīng)的一種。第三十八頁，共94頁。 (1) (1)拉曼拉曼- -納斯衍射納斯衍射(ynsh)(ynsh)產(chǎn)生拉曼產(chǎn)生拉曼-納斯衍射的條件：當(dāng)超聲波頻率較納斯衍射的條件：當(dāng)超聲波頻率較低

21、，光波平行于聲波面入射，聲光互作用長低，光波平行于聲波面入射，聲光互作用長度度(chngd)L較短時，在光波通過介質(zhì)的時較短時，在光波通過介質(zhì)的時間內(nèi)，折射率的變化可以忽略不計，則聲光間內(nèi)，折射率的變化可以忽略不計，則聲光介質(zhì)可近似看作為相對靜止的介質(zhì)可近似看作為相對靜止的“平面相位柵平面相位柵”。拉曼拉曼- -納斯衍射的特點納斯衍射的特點 ：由出射波陣面上各：由出射波陣面上各子波源發(fā)出的次波將發(fā)生相干作用，形成與子波源發(fā)出的次波將發(fā)生相干作用，形成與入射方向入射方向(fngxing)(fngxing)對稱分布的多級衍射對稱分布的多級衍射光。光。第三十九頁，共94頁。sLxy聲波陣面聲波光波陣

22、面 拉曼-納斯衍射圖第四十頁，共94頁。各級衍射各級衍射(ynsh)的方位角為（最大值的位置）的方位角為（最大值的位置） ：), 2, 1, 0(sinmmkkmsism各級衍射各級衍射(ynsh)光的強(qiáng)度為：光的強(qiáng)度為： nLLknvvJIimm2)(),(2第四十一頁，共94頁。3210-1-2-3第四十二頁，共94頁。衍射衍射(ynsh)效率效率為：為：)2(21sin21nLIIisPSnn321。可以實現(xiàn)對光強(qiáng)的調(diào)制改變，一級衍射光的強(qiáng)度將有關(guān)。改變值，與超聲驅(qū)動功率場作用下的彈性應(yīng)變幅為聲光晶體在聲，是聲光晶體的彈光系數(shù)ssPPSPisII1第四十三頁，共94頁。(2)布喇格衍射布

23、喇格衍射(ynsh)產(chǎn)生布喇格衍射條件：聲波頻率較高，聲光作產(chǎn)生布喇格衍射條件：聲波頻率較高，聲光作用長度用長度(chngd)L 較大，光束與聲波波面間較大，光束與聲波波面間以一定的角度斜入射，介質(zhì)具有以一定的角度斜入射，介質(zhì)具有“體光柵體光柵”的的性質(zhì)。性質(zhì)。 布喇格衍射的特點：衍射光各高級次衍射光將布喇格衍射的特點：衍射光各高級次衍射光將互相互相(h xing)抵消，只出現(xiàn)抵消，只出現(xiàn)0級和級和+1級（或級（或1級）衍射光級）衍射光 。 第四十四頁，共94頁。s入射光i衍射光i+s2非衍射光 圖5 布喇格聲光衍射聲波第四十五頁，共94頁。衍射衍射(ynsh)效率效率為：為：sisPMHLL

24、II2212sin M2 M2為聲光為聲光(shn un)(shn un)材料的品質(zhì)因數(shù)，材料的品質(zhì)因數(shù)，PsPs超聲功率；超聲功率；H H為換能器的寬度，為換能器的寬度，L L為換能器的為換能器的長度。同樣的改變超聲功率，也可以達(dá)到改變長度。同樣的改變超聲功率，也可以達(dá)到改變一級衍射光的強(qiáng)度。一級衍射光的強(qiáng)度。 isII1第四十六頁，共94頁。聲光效應(yīng)(xioyng)與電光效應(yīng)(xioyng)對比相似之處：相似之處： 晶體在受到外部作用后，才出現(xiàn)光學(xué)性質(zhì)的變化，晶體在受到外部作用后，才出現(xiàn)光學(xué)性質(zhì)的變化，具體表現(xiàn)為折射率的分布發(fā)生改變。具體表現(xiàn)為折射率的分布發(fā)生改變。區(qū)別：區(qū)別： 電光效應(yīng)中

25、，外加電場電光效應(yīng)中，外加電場(din chng)的加入是起的加入是起因。因。 聲光效應(yīng)中，造成折射率變化的因素是應(yīng)變或應(yīng)聲光效應(yīng)中，造成折射率變化的因素是應(yīng)變或應(yīng)力。力。第四十七頁，共94頁。聲波聲波(shn b)傳播方向傳播方向入射波入射波透射透射(tu sh)波波衍射衍射(ynsh)波波布拉格方式（透射）布拉格方式（透射）入射波入射波透射波透射波反射波反射波聲波傳播方向聲波傳播方向布拉格方式（反射）布拉格方式（反射）聲波傳播方向聲波傳播方向入射波入射波0級級1級級1級級2級級2級級拉曼納斯方式拉曼納斯方式聲波傳播方向聲波傳播方向入射波入射波衍射波衍射波聚焦聚焦布拉格方式（聚焦）布拉格方式

26、（聚焦）第四十八頁，共94頁。3.3.2 聲光聲光(shn un)調(diào)制調(diào)制的工作原理的工作原理 聲光調(diào)制是利用聲光效應(yīng)將信息加載于光頻載波上的一種物理過程。 聲光調(diào)制器的組成(z chn)： （1）聲光介質(zhì)、（2）電-聲換能器、 （3）吸聲（或反射）裝置、（4）驅(qū)動電源。第四十九頁，共94頁。第五十頁，共94頁。l（1）聲光介質(zhì)）聲光介質(zhì) 聲光相互作用的區(qū)域聲光相互作用的區(qū)域l（2）電）電-聲換能器聲換能器 超聲發(fā)生器超聲發(fā)生器l 壓電晶體或壓電半導(dǎo)體的反壓電效應(yīng)壓電晶體或壓電半導(dǎo)體的反壓電效應(yīng)l 將電功率轉(zhuǎn)換成聲功率將電功率轉(zhuǎn)換成聲功率 l（3）吸聲（或反射）裝置）吸聲（或反射）裝置l 避免

27、避免(bmin)返回介質(zhì)產(chǎn)生的干擾返回介質(zhì)產(chǎn)生的干擾l（4）驅(qū)動電源）驅(qū)動電源 l 形成超聲波產(chǎn)生機(jī)械振動外加電場作用下第五十一頁，共94頁。工作原理：工作原理： 調(diào)制信號是以電信號調(diào)制信號是以電信號(調(diào)輻調(diào)輻)形式形式作用于電作用于電-聲換能器上，電聲換能器上，電-聲換能器將聲換能器將相應(yīng)的電信號轉(zhuǎn)化為變化的超聲場，相應(yīng)的電信號轉(zhuǎn)化為變化的超聲場，當(dāng)光波通過聲光介質(zhì)時，由于當(dāng)光波通過聲光介質(zhì)時，由于(yuy)聲光作用，使光載波受到調(diào)制而成為聲光作用，使光載波受到調(diào)制而成為“攜帶攜帶”信息的強(qiáng)度調(diào)制波。信息的強(qiáng)度調(diào)制波。 第五十二頁，共94頁。特性(txng)曲線l衍射效率s與超聲功率Ps是非

28、線性調(diào)制曲線形式，為了(wi le)使調(diào)制波不發(fā)生畸變，則需要加超聲偏置，使其工作在線性較好的區(qū)域。 tPsId(fm)fm(Is)0Ps21圖1聲光調(diào)制(tiozh)特性曲線第五十三頁，共94頁。1 1、拉曼、拉曼- -納斯型聲光納斯型聲光(shn (shn un)un)調(diào)制器調(diào)制器 調(diào)制器的工作原理如圖2(a) 所示，工作聲源頻率(pnl)低于 10MHz。只限于低頻工作，帶寬較小。 入射光 衍射光 調(diào)制信號圖2 拉曼-納斯型聲光(shn un)調(diào)制器第五十四頁，共94頁。l若取某一級的衍射光作為輸出，可利用光闌將其他各級的衍射光遮擋，則從光闌孔出射的光束就是一個隨相位延遲因子變化的調(diào)制光

29、。l當(dāng)工作頻率較高時，聲光作用(zuyng)區(qū)長度太小，要求的聲功率很高，所以該聲光調(diào)制器只限于低頻工作，只具有有限的帶寬。l 效率低，光能利用率低。第五十五頁，共94頁。衍射光調(diào)制信號入射光圖3 聲光(shn un)調(diào)制器布喇格型2 2、布喇格型聲光、布喇格型聲光(shn (shn un)un)調(diào)制器調(diào)制器 布喇格型聲光調(diào)制器工作(gngzu)原理如圖3所示。第五十六頁，共94頁。tPsId(fm)fm(Is)0圖3聲光調(diào)制(tiozh)特性曲線 布喇格聲光調(diào)制特性曲線與電光強(qiáng)度調(diào)制布喇格聲光調(diào)制特性曲線與電光強(qiáng)度調(diào)制相似，如圖相似，如圖3所示。所示。 由圖可以由圖可以(ky)看出：衍射效率

30、看出：衍射效率s與超聲與超聲功率功率Ps是非線性調(diào)制曲線形式，為了使調(diào)制波是非線性調(diào)制曲線形式，為了使調(diào)制波不發(fā)生畸變，則需要加超聲偏置，使其工作在不發(fā)生畸變，則需要加超聲偏置，使其工作在線性較好的區(qū)域。線性較好的區(qū)域。 第五十七頁，共94頁。sBsIML22222cos2 由此可見，若對聲強(qiáng)由此可見，若對聲強(qiáng)(shn qin)加以調(diào)制加以調(diào)制，衍射光強(qiáng)也就受到了調(diào)制。，衍射光強(qiáng)也就受到了調(diào)制。 布喇格衍射由于效率高，且調(diào)制帶寬較寬，布喇格衍射由于效率高，且調(diào)制帶寬較寬，故多被采用。故多被采用。 在聲功率在聲功率Ps(或聲強(qiáng)或聲強(qiáng)(shn qin)Is)較小的較小的情況下，衍射效率情況下，衍射

31、效率s隨聲強(qiáng)隨聲強(qiáng)(shn qin)度度Is單調(diào)地增加單調(diào)地增加(近似呈線性關(guān)系近似呈線性關(guān)系)：第五十八頁，共94頁。 相對于聲波波前以相對于聲波波前以B 入射的波導(dǎo)光波穿過入射的波導(dǎo)光波穿過輸出棱鏡時，得到輸出棱鏡時，得到(d do)與入射光束成與入射光束成2B 角角的的1級衍射光。其光強(qiáng)為級衍射光。其光強(qiáng)為BVIIIiisin2sin21 ：在電場作用下導(dǎo)波光通過長度為：在電場作用下導(dǎo)波光通過長度為L距離的相距離的相位延遲；位延遲；B :是一比例系數(shù)是一比例系數(shù)(xsh)，它取決于波導(dǎo)的有效折，它取決于波導(dǎo)的有效折射率射率neff等因素。等因素。 上式表明，衍射光強(qiáng)上式表明，衍射光強(qiáng)I1

32、I1隨電壓隨電壓V V的變化的變化(binhu)(binhu)而變化而變化(binhu)(binhu)，從而可實現(xiàn)對波，從而可實現(xiàn)對波導(dǎo)光的調(diào)制。導(dǎo)光的調(diào)制。 第五十九頁，共94頁。3.4 磁光調(diào)制(tiozh)l磁光調(diào)制(tiozh)主要是基于磁光效應(yīng)中的法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，使得一束在外磁場的作用下的介質(zhì)中傳播的線偏振光發(fā)生偏轉(zhuǎn)，其旋轉(zhuǎn)角度與沿光束方向的磁場強(qiáng)度H和光在介質(zhì)中傳播的長度L之積成正比，即l l式中V為韋爾德（Verdet）常數(shù)，表示單位磁場強(qiáng)度下通過單位長度的磁光介質(zhì)后偏振方向旋轉(zhuǎn)的角度。第六十頁，共94頁。3.5 直接直接(zhji)調(diào)制調(diào)制 直接調(diào)制是把要傳遞的信息轉(zhuǎn)變?yōu)殡娭苯?/p>

33、調(diào)制是把要傳遞的信息轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏餍盘栕⑷氚雽?dǎo)體光源（激光二極管流信號注入半導(dǎo)體光源（激光二極管LD或或半導(dǎo)體發(fā)光半導(dǎo)體發(fā)光(f un)二極管二極管LED），從而），從而獲得調(diào)制光信號。獲得調(diào)制光信號。 由于它是在光源內(nèi)部進(jìn)行的，因此又由于它是在光源內(nèi)部進(jìn)行的，因此又稱為內(nèi)調(diào)制。稱為內(nèi)調(diào)制。 分類：分類： 模擬調(diào)制模擬調(diào)制 數(shù)字調(diào)制數(shù)字調(diào)制 第六十一頁，共94頁。一一.半導(dǎo)體激光器（半導(dǎo)體激光器（LD）直接）直接(zhji)調(diào)制的調(diào)制的原理原理 LD是電子與光子相互作用并進(jìn)行能量直接轉(zhuǎn)是電子與光子相互作用并進(jìn)行能量直接轉(zhuǎn)換的器件。換的器件。 圖圖3-20為砷鎵鋁為砷鎵鋁雙異質(zhì)結(jié)注入式半導(dǎo)雙異質(zhì)結(jié)注

34、入式半導(dǎo)體激光器的輸出體激光器的輸出(shch)光功光功率與驅(qū)動電流的關(guān)系曲線。率與驅(qū)動電流的關(guān)系曲線。1050 50 100 It 150 200驅(qū)動電流(mA)輸出功率(mW)圖圖3-20 半導(dǎo)體激光器的輸出特性半導(dǎo)體激光器的輸出特性閾值閾值電流電流第六十二頁，共94頁。10080604020850 950 1050 波長(bchng)(m)相對(xi ng du)輻射強(qiáng)度( %)高于閾值（發(fā)射高于閾值（發(fā)射(fsh)激光激光）低于閾值低于閾值（基本不發(fā)光）（基本不發(fā)光）圖圖3-21 半導(dǎo)體激光器的光譜特性半導(dǎo)體激光器的光譜特性圖圖3-21所示半導(dǎo)體激光器的光譜特性。所示半導(dǎo)體激光器的光譜

35、特性。 第六十三頁，共94頁。l由上可知，發(fā)射激光的強(qiáng)弱直接與驅(qū)動電流的大小有關(guān)。l若把調(diào)制(tiozh)信號加到激光器電源上，就可直接改變激光器輸出光信號的強(qiáng)度。l 廣泛應(yīng)用于光纖通信、光盤和光復(fù)印等。第六十四頁，共94頁。 圖圖5所示的是半導(dǎo)體激光器調(diào)制原理以及輸出光功率與調(diào)制信所示的是半導(dǎo)體激光器調(diào)制原理以及輸出光功率與調(diào)制信號的關(guān)系曲線。為了獲得線性調(diào)制，使工作點處于輸出特性曲線號的關(guān)系曲線。為了獲得線性調(diào)制，使工作點處于輸出特性曲線的直線部分，必須在加調(diào)制信號電流的同時加一適當(dāng)?shù)闹本€部分，必須在加調(diào)制信號電流的同時加一適當(dāng)(shdng)的的偏置電流偏置電流Ib，這樣就可以使輸出的光信

36、號不失真。，這樣就可以使輸出的光信號不失真。 輸出功率直流偏置直流偏置調(diào)制信號調(diào)制信號輸出光強(qiáng)信號輸出光強(qiáng)信號ttt(b)CLLD調(diào)制信號調(diào)制信號直流偏置直流偏置(a)圖圖3-22 半導(dǎo)體激光器調(diào)制半導(dǎo)體激光器調(diào)制(tiozh) (a) 電原理圖；電原理圖；(b) 調(diào)制調(diào)制(tiozh)特性曲線特性曲線第六十五頁，共94頁。 半導(dǎo)體激光器處于連續(xù)調(diào)制工作狀半導(dǎo)體激光器處于連續(xù)調(diào)制工作狀態(tài)時，無論有無調(diào)制信號，由于有直流態(tài)時，無論有無調(diào)制信號，由于有直流偏置，所以功耗較大，甚至引起溫升，偏置，所以功耗較大，甚至引起溫升，會影響或破壞器件會影響或破壞器件(qjin)的正常工作。的正常工作。 第六十

37、六頁，共94頁。二、半導(dǎo)體發(fā)光二極管調(diào)制二、半導(dǎo)體發(fā)光二極管調(diào)制(tiozh)特特性性 半導(dǎo)體發(fā)光二極管由于不是閾值器件，它的半導(dǎo)體發(fā)光二極管由于不是閾值器件，它的輸出光功率不像半導(dǎo)體激光器那樣會隨注入電輸出光功率不像半導(dǎo)體激光器那樣會隨注入電流的變化而發(fā)生流的變化而發(fā)生(fshng)突變，因此，突變，因此，LED的的PI特性曲線的線性比較好。特性曲線的線性比較好。 圖圖3-23示出了示出了LED與與LD的的PI特性曲線的特性曲線的比較。比較。 第六十七頁，共94頁。LD2LD1LED1LED2LED3LED4I(mW)Pout(mW)1614121086420 100 200 300 400

38、圖3-23 LED與LD 的Pout-I曲線比較第六十八頁，共94頁。三三.半導(dǎo)體光源半導(dǎo)體光源(gungyun)的模擬調(diào)制的模擬調(diào)制 無論是使用無論是使用 LD或或LED作光源，都要施加偏置作光源，都要施加偏置(pin zh)電電流流Ib，使其工作點處于，使其工作點處于LD或或LED的的PI特性曲線的直線段，特性曲線的直線段，如圖如圖7所示。其調(diào)制線性好壞與調(diào)制深度所示。其調(diào)制線性好壞與調(diào)制深度m有關(guān)：有關(guān)： L EDUb+ EcIc已調(diào)光波(a)PoutItIco(b)圖圖3-24 模擬信號驅(qū)動電路激光強(qiáng)度調(diào)制模擬信號驅(qū)動電路激光強(qiáng)度調(diào)制 (a) 驅(qū)動電路；驅(qū)動電路；(b) LED工作特性

39、工作特性第六十九頁，共94頁。偏置電流調(diào)制電流幅度閾值電流偏置電流調(diào)制電流幅度mm:LED:LD第七十頁，共94頁。四四.半導(dǎo)體光源半導(dǎo)體光源(gungyun)的脈沖編碼數(shù)字調(diào)制的脈沖編碼數(shù)字調(diào)制 數(shù)字調(diào)制是用二進(jìn)制數(shù)字信號“1”和“0”碼對光源發(fā)出的光波進(jìn)行調(diào)制。 而數(shù)字信號大都(ddu)采用脈沖編碼調(diào)制：1、先將連續(xù)的模擬信號通過“抽樣”變成一組調(diào)幅的脈沖序列；2、“量化”和“編碼”過程，形成一組等幅度、等寬度的矩形脈沖作為“碼元”，結(jié)果將連續(xù)的模擬信號變成了脈沖編碼數(shù)字信號。第七十一頁，共94頁。3、然后、然后(rnhu)，再用脈沖編碼數(shù)字信號對光，再用脈沖編碼數(shù)字信號對光源進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制

40、，其調(diào)制特性曲線如下圖所示。源進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制，其調(diào)制特性曲線如下圖所示。 第七十二頁，共94頁。PoutIbID ttI(a)OPoutIO t(b)數(shù)字(shz)調(diào)制特性 (a) 加Ib后LD數(shù)字(shz)調(diào)制特性 (b) LED數(shù)字(shz)調(diào)制特性第七十三頁，共94頁。 由于數(shù)字光通信的突出由于數(shù)字光通信的突出(t ch)優(yōu)點，所優(yōu)點，所以其有很好應(yīng)用的前景。以其有很好應(yīng)用的前景。第七十四頁，共94頁。3.6光束掃描光束掃描(somio)技術(shù)技術(shù) 第七十五頁，共94頁。應(yīng)用目的分類：模擬式掃描：光的偏轉(zhuǎn)角是連續(xù)變化的，它能描述光束的連續(xù)位移； 主要用于各種顯示數(shù)字掃描：光的偏轉(zhuǎn)角是不連續(xù)的

41、，在選定空間的某些(mu xi)特定位置上使光束的空間位置“跳變”。 主要用于光存儲 第七十六頁，共94頁。1. 1. 機(jī)械掃描機(jī)械掃描 定義：利用反射鏡或棱鏡等光學(xué)元件定義：利用反射鏡或棱鏡等光學(xué)元件(yunjin)的旋轉(zhuǎn)或振動實現(xiàn)光束掃描。的旋轉(zhuǎn)或振動實現(xiàn)光束掃描。 機(jī)械掃描技術(shù)是目前最成熟的一種掃描方法。機(jī)械掃描技術(shù)是目前最成熟的一種掃描方法。 如果只需要改變光束的方向，即可采用機(jī)械掃如果只需要改變光束的方向，即可采用機(jī)械掃描方法。描方法。 第七十七頁，共94頁。 下圖所示為一簡單下圖所示為一簡單(jindn)的機(jī)械掃描原理裝置，的機(jī)械掃描原理裝置，激光束入射到一可轉(zhuǎn)動的平面反射鏡上，當(dāng)

42、平面鏡激光束入射到一可轉(zhuǎn)動的平面反射鏡上，當(dāng)平面鏡轉(zhuǎn)動時，平面鏡反射的激光束的方向就會發(fā)生改變轉(zhuǎn)動時，平面鏡反射的激光束的方向就會發(fā)生改變，達(dá)到光束掃描的目的。，達(dá)到光束掃描的目的。 入射光束 掃描光束 反射鏡 機(jī)械掃描裝置示意圖第七十八頁，共94頁。缺點：掃描速度慢缺點：掃描速度慢優(yōu)點：掃描角度大；優(yōu)點：掃描角度大； 受溫度影響小；受溫度影響?。?光的損耗??；光的損耗小； 適用于各種光波長的掃描。適用于各種光波長的掃描。 因此，機(jī)械掃描方法在目前仍是因此，機(jī)械掃描方法在目前仍是一種常用的光束掃描方法。一種常用的光束掃描方法。 它不僅可以它不僅可以(ky)用在各種顯示技用在各種顯示技術(shù)中，而且

43、還可用在微型圖案的激光術(shù)中，而且還可用在微型圖案的激光加工裝置中。加工裝置中。 第七十九頁，共94頁。l機(jī)械掃描技術(shù)是利用反射鏡機(jī)械掃描技術(shù)是利用反射鏡或棱鏡等光學(xué)元件的旋轉(zhuǎn)或或棱鏡等光學(xué)元件的旋轉(zhuǎn)或振動實現(xiàn)光束掃描。見右圖。振動實現(xiàn)光束掃描。見右圖。l發(fā)送端光機(jī)掃描：激光束入發(fā)送端光機(jī)掃描：激光束入射到一可轉(zhuǎn)動的多棱反射鏡射到一可轉(zhuǎn)動的多棱反射鏡上，當(dāng)多面鏡轉(zhuǎn)動時，多面上，當(dāng)多面鏡轉(zhuǎn)動時，多面鏡反射的激光束的方向就會鏡反射的激光束的方向就會發(fā)生改變，達(dá)到發(fā)生改變，達(dá)到(d do)光光束掃描的目的。束掃描的目的。第八十頁，共94頁。l接收端的光束掃描：接收端的光束掃描：l擺動平面反射鏡，使探擺動平面反射鏡，使探測器依次接收到來自測器依次接收到來自(li z)不同空間方向的輻射。不同空間方向的輻射。第八十一頁，共94頁。2. 電光電光(dingung)掃描掃描 電光掃描是利用電光效應(yīng)來改變光束在空電光掃描是利用電光效應(yīng)來改變光束在空間間(kngjin)的傳播方向，其原理如下圖所示的傳播方向，其原理如下圖所示。 L dBAy xBA光束的偏轉(zhuǎn)方向電光掃描原理圖第八十二頁，共94頁。 光束沿光束沿y方向入射到長度為方向入射到長度為L，厚度，厚度(hud)為為d的電光晶體，如果晶體的折的電光晶體，如果晶體的