顯示光學(xué)課件：02第一章 光學(xué)基礎(chǔ)3

1、第一章 信息顯示中的光學(xué)基礎(chǔ)第三節(jié) 光學(xué)調(diào)制光學(xué)調(diào)制的原理和分類電光調(diào)制聲光調(diào)制磁光調(diào)制光束偏轉(zhuǎn)激光調(diào)制的目的就是為了把信號(hào)加載到激光束上，以激光為載波，將信息傳遞到遠(yuǎn)處。3.1、激光調(diào)制原理所謂調(diào)制就是使激光束的振幅、強(qiáng)度、相位、頻率隨信號(hào)而變化。 完成激光調(diào)制的裝置稱為激光調(diào)制器。激光調(diào)制分類：內(nèi)調(diào)制和外調(diào)制。光學(xué)調(diào)制的原理和分類內(nèi)調(diào)制：指直接調(diào)制激光振蕩器的參數(shù)，使輸出的激光束的某個(gè)參數(shù)隨調(diào)制信號(hào)而變化。 外調(diào)制：指調(diào)制激光器輸出的穩(wěn)定光束的某個(gè)參數(shù)，使其隨調(diào)制信號(hào)而變化。外調(diào)制是目前廣泛使用的調(diào)制方法。按照激光束的受調(diào)制參數(shù)分類，激光調(diào)制可分為調(diào)幅、調(diào)頻、 調(diào)相和強(qiáng)度調(diào)制。按激光載波的

2、能量分布形式分類：連續(xù)調(diào)制和脈沖調(diào)制。其中脈沖調(diào)制又分模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制。光學(xué)調(diào)制的原理和分類一、連續(xù)調(diào)制1、幅度調(diào)制光學(xué)調(diào)制的原理和分類設(shè)激光輻射的偏振電場為：則使A0按調(diào)制信號(hào)的規(guī)律變化的過程稱為幅度調(diào)制，簡稱調(diào)幅。設(shè)調(diào)制信號(hào)為正弦波，即調(diào)幅信號(hào)表示為：上式表明，正弦調(diào)幅波可以用頻率分別為0，0-m， 0+m的三個(gè)平面波的迭加合成。實(shí)際的調(diào)制信號(hào)可以是任意的，通過調(diào)制器使激光的幅度隨其變化。2、頻率調(diào)制頻率調(diào)制就是使激光束的頻率隨調(diào)制信號(hào)而變化。設(shè)頻率調(diào)制引起的相角變化量為：則調(diào)頻波可表示為光學(xué)調(diào)制的原理和分類式中d為最大角頻偏，Mf= d / m稱為調(diào)頻系數(shù)。利用貝塞爾函數(shù)展開可得：當(dāng)M

3、f1，上式可簡化為：弱調(diào)頻類似于調(diào)幅，只產(chǎn)生上、下邊頻帶，而強(qiáng)調(diào)頻產(chǎn)生多級高階上、下邊頻帶。光學(xué)調(diào)制的原理和分類3、相位調(diào)制光學(xué)調(diào)制的原理和分類相位調(diào)制是指激光的初始相位受到調(diào)制信號(hào)的調(diào)制而隨信號(hào)變化。則相位調(diào)制信號(hào)為：上式形式上與調(diào)頻一樣，所以也可以分解為上、下邊頻的線性組合。調(diào)頻與調(diào)相雖然數(shù)學(xué)處理和形式上一樣，但兩者的物理調(diào)制過程是不同的，所以調(diào)制設(shè)備完全不同。通常調(diào)相更容易，由于激光頻率太高，調(diào)頻實(shí)現(xiàn)較困難。設(shè)初相位0受到一相位增量調(diào)制：4、強(qiáng)度調(diào)制強(qiáng)度正比于振幅的平方，所以強(qiáng)度調(diào)制就是對電場的平方進(jìn)行調(diào)制。設(shè)激光電場平方為：設(shè)調(diào)制信號(hào)為：強(qiáng)度調(diào)制信號(hào)為：強(qiáng)度調(diào)制與幅度調(diào)制實(shí)質(zhì)上沒有區(qū)別

4、，調(diào)制設(shè)備很類似。所以有時(shí)也把強(qiáng)度調(diào)制稱為幅度調(diào)制，主要差別在于探測方法是對幅度或是強(qiáng)度敏感。而通常的探測器是對強(qiáng)度敏感，所以強(qiáng)度調(diào)制應(yīng)用較廣泛。強(qiáng)度調(diào)制可以看成一種單邊調(diào)制，而載波頻率為激光頻率的兩倍。光學(xué)調(diào)制的原理和分類二、脈沖調(diào)制脈沖調(diào)制指激光載波為脈沖串。根據(jù)采樣定理，只要對連續(xù)信號(hào)的采樣頻率大于被采樣信號(hào)帶寬的2倍，就可以根據(jù)采樣脈沖系列恢復(fù)連續(xù)信號(hào)?；谶@一原理，沒有必要傳輸連續(xù)信號(hào)的所有信息，所以發(fā)展了脈沖調(diào)制。使用脈沖調(diào)制可以節(jié)約傳輸帶寬和發(fā)射功率。脈沖調(diào)制仍然包括調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相和強(qiáng)度調(diào)制1、脈沖調(diào)幅（PAM）脈沖調(diào)幅可以理解為對連續(xù)調(diào)幅信號(hào)的離散采樣。采樣頻率只要 大于調(diào)制

5、信號(hào)的帶寬的2倍，通常取4-5倍。光學(xué)調(diào)制的原理和分類脈沖調(diào)幅信號(hào)可表示為：Mn(tn)2/0為采樣時(shí)間，tn=nT，T為 載波脈寬。2、脈沖強(qiáng)度調(diào)制（PIM）脈沖強(qiáng)度調(diào)制是使脈沖的強(qiáng)度隨信號(hào)變化，數(shù)學(xué)表示為：式中T為采樣周期，為采樣時(shí)間，T0載波脈寬?；蚧蚬鈱W(xué)調(diào)制的原理和分類3、脈沖調(diào)頻(PFM)PFM是使激光載波脈沖的重復(fù)頻率隨調(diào)制信號(hào)幅度變化，上式表示時(shí)間平移，而平移量隨調(diào)制信號(hào)變化，所以序列不均勻，即脈沖調(diào)頻。光學(xué)調(diào)制的原理和分類三、脈沖編碼調(diào)制前面的連續(xù)調(diào)制和脈沖調(diào)制均為模擬調(diào)制，通過使光束的某一個(gè)參數(shù)隨信號(hào)變化實(shí)現(xiàn)信號(hào)的調(diào)制與傳輸。如果噪聲也使被調(diào)制參數(shù)發(fā)生變化，接受者就不能區(qū)分這

6、種變化是信號(hào)或是噪聲，所以，模擬調(diào)制的抗干擾能力差。為此，發(fā)展脈沖編碼調(diào)制技術(shù)，它是數(shù)字調(diào)制。具有強(qiáng)的抗噪聲干擾能力。光學(xué)調(diào)制的原理和分類3.2 電光調(diào)制各種調(diào)制（連續(xù)、脈沖和脈沖編碼）技術(shù)都需要通過調(diào)制器來實(shí)現(xiàn)。一、晶體光學(xué)基礎(chǔ)雙折射現(xiàn)象：當(dāng)一束光折射進(jìn)某些物質(zhì)中產(chǎn)生兩束折射光束的現(xiàn)象。一束光稱為尋常光（o光），另一束光稱為非尋常光（e光）。 o光：折射率與傳波方向無關(guān)的光束，即各向同性光束。光學(xué)調(diào)制的原理和分類e光：折射率隨傳波方向變化，即各向異性光。光軸：雙折射材料中，不改變光的偏振狀態(tài)、不產(chǎn)生雙折射的傳 播方向。主平面：由光線與光軸組成的平面。o光主平面：o光波矢量與光軸組成的平面e光

7、主平面： e光光線矢量與光軸組成的平面主截面： e光主平面與o光主平面重合的平面。o、 e光的偏振： o光的偏振方向垂直于主截面，而e光的偏振方 向位于主截面內(nèi)。 o、 e光的偏振方向互相垂直。光學(xué)調(diào)制的原理和分類折射率橢球在各向異性晶體中，電位移矢量 與電場矢量 之間通過電介張量聯(lián)系起來，即： 通過選擇適當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)系XYZ，可以實(shí)現(xiàn)電介張量ij的對角化，即稱這樣的XYZ坐標(biāo)軸為介電主軸。在介電主軸坐標(biāo)系中，光率體為一橢球，橢球方程為：光學(xué)調(diào)制的原理和分類因 ，所以，光率體可寫為：上式即為在主坐標(biāo)系中的雙折射晶體的折射率橢球方程。nx，ny，nz分別為沿X，Y，Z方向的主折射率。折射率橢球的性質(zhì)：雙折射晶體中，任一波矢量 對應(yīng)兩個(gè)相互正交偏振的電位移分量D1和D2，過折射率橢球中心做與 垂直的平面，此平面與橢球相交形成一橢圓，則（1）D1與D2分別平行于相交橢圓的長、短軸方向光學(xué)調(diào)制的原理和分類（2）沿D1和D2偏振的兩個(gè)分量的折射率分別等于對應(yīng)的橢圓主軸的半長度。正單軸晶體：非尋常光折射率ne大于尋常