光電子技術(shù)第3章-光束的調(diào)制與掃描課件

1、第3章 光束的調(diào)制與掃描3.1 光束調(diào)制原理3.2 電光調(diào)制3.3 聲光調(diào)制3.4 磁光調(diào)制3.5 直接調(diào)制3.6 光束掃描技術(shù)3.7 空間光調(diào)制器第3章 光束的調(diào)制與掃描3.1 光束調(diào)制原理調(diào)制 調(diào)制實際上是改變載波的振幅、強度、相位或脈沖信號特性的過程，以達到傳遞信息的目的。-xy載波調(diào)制信號(一般為低頻信號)調(diào)制光波(已調(diào)波)調(diào)制器第3章 光束的調(diào)制與掃描3.1 光束調(diào)制原理內(nèi)調(diào)制(直接調(diào)制)、外調(diào)制(間接調(diào)制)內(nèi)調(diào)制：加載調(diào)制信號是在激光振蕩過程中進行的。實現(xiàn)內(nèi)調(diào)制的方法： 一、用調(diào)制信號直接控制激光器泵浦電源。 二、用調(diào)制信號控制諧振腔的參數(shù)。外調(diào)制：把調(diào)制器放在激光器諧振腔外的光路

2、上實現(xiàn)調(diào)制。第3章 光束的調(diào)制與掃描3.1 光束調(diào)制原理 激光調(diào)制按被控制的參數(shù)不同分為調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相、強度調(diào)制、偏振調(diào)制及脈沖調(diào)制等形式。第3章 光束的調(diào)制與掃描3.1 光束調(diào)制原理1. 振幅調(diào)制 使載波的振幅隨調(diào)制信號的規(guī)律而變化的過程叫振幅調(diào)制，簡稱調(diào)幅。 假設(shè)調(diào)制信號為正弦波，即載波信號為則調(diào)幅波的表達式為：為調(diào)幅系數(shù)第3章 光束的調(diào)制與掃描3.1 光束調(diào)制原理1. 振幅調(diào)制 使載波的振幅隨調(diào)制信號的規(guī)律而變化的過程叫振幅調(diào)制，簡稱調(diào)幅。 假設(shè)調(diào)制信號為正弦波，即載波信號為則調(diào)幅波的表達式為：為調(diào)幅系數(shù) 調(diào)幅波由三個頻率成分組成：載頻分量，因調(diào)制產(chǎn)生的新分量邊頻分量。第3章 光束的調(diào)

3、制與掃描3.1 光束調(diào)制原理2. 頻率調(diào)制和相位調(diào)制載波信號的頻率或相位隨調(diào)制信號的規(guī)律而變化。也叫角度調(diào)制。頻率調(diào)制為調(diào)頻系數(shù)由并令得調(diào)頻波的表達式為即振幅和初位相保持不變，只是角頻率有一調(diào)制增量。即頻率調(diào)制最終是調(diào)制總相角。第3章 光束的調(diào)制與掃描3.1 光束調(diào)制原理2. 頻率調(diào)制和相位調(diào)制載波信號的頻率或相位隨調(diào)制信號的規(guī)律而變化。也叫角度調(diào)制。頻率調(diào)制為調(diào)頻系數(shù)由并令得調(diào)頻波的表達式為即振幅和初位相保持不變，只是角頻率有一調(diào)制增量。即頻率調(diào)制最終是調(diào)制總相角。 頻率調(diào)制波的頻譜是由光載波與兩邊的無窮多對邊譜組成，并受與調(diào)制函數(shù)相關(guān)的貝塞爾函數(shù)調(diào)制。第3章 光束的調(diào)制與掃描3.1 光束調(diào)

4、制原理2. 頻率調(diào)制和相位調(diào)制載波信號的頻率或相位隨調(diào)制信號的規(guī)律而變化。也叫角度調(diào)制。相位調(diào)制為調(diào)相系數(shù)由并令得調(diào)相波的表達式為即振幅和角頻率保持不變，只是初位相有一調(diào)制增量。上式與調(diào)頻波的表達式完全一樣。 說明：調(diào)頻信號或調(diào)相信號若直接用光電器件接受，則輸出的信號將只有強度(振幅)信息而不包含任何頻率或相位信息。因此在到達光電接收器件之前必須先將頻率信息轉(zhuǎn)化為強度信息，才能將信息提取出來。 仍設(shè)調(diào)制信號是單頻余弦波 ，則第3章 光束的調(diào)制與掃描3.1 光束調(diào)制原理3. 強度調(diào)制 載波信號的強度(光強)隨調(diào)制信號的規(guī)律而變化。 光束調(diào)制多采用強度調(diào)制形式，這是因為接收器一般都是直接響應(yīng)其所接

5、收的光強變化。 光束強度定義為光波電場的平方 強度調(diào)制的光強可表示為光強比例系數(shù) 強度調(diào)制波的頻譜分布除了載頻及對稱分布的兩邊頻之外，還有低頻m和直流分量。第3章 光束的調(diào)制與掃描3.1 光束調(diào)制原理5. 脈沖編碼調(diào)制 把模擬信號先變成電脈沖序列，進而變成代表信號信息的二進制編碼，再對光載波進行強度調(diào)制。 實現(xiàn)脈沖編碼調(diào)制要進行三個過程：抽樣、量化和編碼。 光束調(diào)制原理第3章 光束的調(diào)制與掃描3.2 電光調(diào)制 3.2.1 電光強度調(diào)制 當電場加在晶體上時，其折射率變化可產(chǎn)生線性電光效應(yīng)。加電場的方向通常有兩種方式：縱向電光效應(yīng)；橫向電光效應(yīng)。 利用縱向電光效應(yīng)和橫向電光效應(yīng)均可實現(xiàn)電光強度調(diào)制

6、3.2 電光調(diào)制3.2.1 電光強度調(diào)制1. 縱向電光調(diào)制器及其工作原理 縱向電光強度調(diào)制器的結(jié)構(gòu)：電光晶體（KDP）置于兩正交的偏振器之間，其中起偏器P1的偏振方向平行于電光晶體的x軸，檢偏器P2的偏振方向平行于電光晶體的y軸，在晶體和P2之間插入/4波片。1. 縱向電光調(diào)制器 及其工作原理通過檢偏器后的光振幅及光強為：透過率：1. 縱向電光調(diào)制器 及其工作原理電光調(diào)制特性曲線的特點：非線性(畸變區(qū)、近似線性區(qū)、倍頻區(qū))解決方法：一、附加固定偏壓； 二、加四分之一波片加1/4波片時，電光調(diào)制的透過率可表示為利用貝塞爾函數(shù)展開由此可見，高次諧波與基頻波成分的比值為若取 1rad， 則J1 (1

7、)=0.44, J3(1)=0.02, I3 /I 1 =0.045。在這個范圍內(nèi)可以獲得近似線性調(diào)制，因而取 作為線性調(diào)制的判據(jù)。 此時 代入上式得 透過率：1. 縱向電光調(diào)制器 及其工作原理 縱向電光調(diào)制器具有結(jié)構(gòu)簡單、工作穩(wěn)定、不存在自然雙折射的影響等優(yōu)點。其缺點是半波電壓太高，特別是在調(diào)制頻率較高時，功率損耗比較大。3.2 電光調(diào)制3.2.1 電光強度調(diào)制2. 橫向電光調(diào)制光波穿過晶體后將產(chǎn)生相位差：第二項：是外電場作用產(chǎn)生的相位延遲，它與外加電壓V和晶體的尺寸L/d有關(guān)，若適當?shù)剡x擇晶體的尺寸，則可以降低半波電壓。第一項：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，對調(diào)制器的工

8、作沒有貢獻，而且當晶體溫度變化而引起折射率no和ne變化時，兩光波的相位差發(fā)生漂移。-xy3.2 電光調(diào)制3.2.1 電光強度調(diào)制2. 橫向電光調(diào)制光波穿過晶體后將產(chǎn)生相位差：第二項：是外電場作用產(chǎn)生的相位延遲，它與外加電壓V和晶體的尺寸L/d有關(guān)，若適當?shù)剡x擇晶體的尺寸，則可以降低半波電壓。 實驗表明：KDP晶體的折射率差隨溫度的變化率為 。如設(shè)L30mm，通過波長=6328um的光，若T=1，引起的附加相位差為：第一項：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，對調(diào)制器的工作沒有貢獻，而且當晶體溫度變化而引起折射率no和ne變化時，兩光波的相位差發(fā)生漂移。-xy3.2 電光調(diào)制3.

9、2.1 電光強度調(diào)制2. 橫向電光調(diào)制光波穿過晶體后將產(chǎn)生相位差：解決溫漂的方法 方法二：采用“組合調(diào)制器”進行補償。如圖由兩塊性能和大小部完全相同的KDP晶體和一個半波片組成。兩塊KDP晶體K1和K2的光軸方向相反，在Kl和K2之間插入一塊半波片，外加電場沿z軸方向，通光方向與z軸垂直，并與y軸成45夾角。xyyx-xy3.2 電光調(diào)制3.2.1 電光強度調(diào)制2. 橫向電光調(diào)制光波穿過晶體后將產(chǎn)生相位差：解決溫漂的方法 方法二：采用“組合調(diào)制器”進行補償。如圖由兩塊性能和大小部完全相同的KDP晶體和一個半波片組成。兩塊KDP晶體K1和K2的光軸方向相反，在Kl和K2之間插入一塊半波片，外加電

10、場沿z軸方向，通光方向與z軸垂直，并與y軸成45夾角。xyyx3.2 電光調(diào)制3.2.1 電光強度調(diào)制2. 橫向電光調(diào)制解決溫漂的方法 光束經(jīng)過第一塊晶體后：xyyx 光束的兩個分量經(jīng)過半波片； 光束的兩個分量經(jīng)過兩塊晶體之后的總相位差：-xy 光束經(jīng)過第二塊晶體后：3.2 電光調(diào)制3.2.2 電光相位調(diào)制相位調(diào)制3.2 電光調(diào)制3.2.2 電光相位調(diào)制電光相位調(diào)制原理相位變化：外加電場：入射光場：出射光場：相位調(diào)制系數(shù)折射率：3.2 電光調(diào)制3.2.3 電光調(diào)制器的電學性能電光調(diào)制器中的性能要求:調(diào)制效率、調(diào)制帶寬渡越時間 調(diào)制信號頻率m對電場分布的影響3.2 電光調(diào)制3.2.3 電光調(diào)制器

11、的電學性能 電光調(diào)制中電極的加載方式 裝有電極的調(diào)制晶體可以等效為一個電容，即可以看成是電路中的一個集總元件，通常稱為集總參量調(diào)制器。其頻率特性受外圍電路參數(shù)的影響。 1外電路對調(diào)制帶寬的限制集總電路（Lumped circuit）： 在一般的電路分析中,電路的所有參數(shù),如阻抗、容抗、感抗都集中于空間的各個點上,各個元件上,各點之間的信號是瞬間傳遞的,這種理想化的電路模型稱為集總電路。 這類電路所涉及電路元件的電磁過程都集中在元件內(nèi)部進行。用集總電路近似實際電路是有條件的，即實際電路的尺寸要遠小于電路工作時的電磁波長。分布參數(shù)電路distributed parameter 必須考慮參數(shù)分布性的

12、電路,稱為分布參數(shù)電路. 又稱為高速電路,是指傳輸線的長度與工作波長可相比擬,需用分參數(shù)電路來描述的電路. 3.2 電光調(diào)制3.2.3 電光調(diào)制器的電學性能 1外電路對調(diào)制帶寬的限制 限制調(diào)制帶寬的主要因素：外電路參數(shù)； 電光調(diào)制器的等效電路；3.2 電光調(diào)制3.2.3 電光調(diào)制器的電學性能 1外電路對調(diào)制帶寬的限制 限制調(diào)制帶寬的主要因素：外電路參數(shù)； 電光調(diào)制器的等效電路； 作用到晶體上的實際電壓：3.2 電光調(diào)制3.2.3 電光調(diào)制器的電學性能 1外電路對調(diào)制帶寬的限制 限制調(diào)制帶寬的主要因素：外電路參數(shù)； 電光調(diào)制器的等效電路； 作用到晶體上的實際電壓： 當調(diào)制頻率增高時，調(diào)制晶體的交

13、流阻抗變小，大部分調(diào)制電壓就降在Rs上，即調(diào)制電源與晶體負載電路之間阻抗不匹配，調(diào)制效率就要大大降低，甚至不能工作。3.2 電光調(diào)制3.2.3 電光調(diào)制器的電學性能 1外電路對調(diào)制帶寬的限制實現(xiàn)阻抗匹配的方法 作用到晶體上的實際電壓：3.2 電光調(diào)制3.2.3 電光調(diào)制器的電學性能 1外電路對調(diào)制帶寬的限制實現(xiàn)阻抗匹配的方法 作用到晶體上的實際電壓：3.2 電光調(diào)制3.2.3 電光調(diào)制器的電學性能 1外電路對調(diào)制帶寬的限制實現(xiàn)阻抗匹配的方法 作用到晶體上的實際電壓： 電感量L的選擇由工作頻率決定： 即電感量L的選擇要滿足上式，此時該頻率為電路的諧振頻率，當工作頻率(調(diào)制信號的頻率)等于諧振頻率

14、時，阻抗 由此可實現(xiàn)阻抗匹配，從而提高調(diào)制效率。3.2 電光調(diào)制3.2.3 電光調(diào)制器的電學性能 1外電路對調(diào)制帶寬的限制諧振回路的帶寬并聯(lián)諧振回路阻抗上式阻抗只在頻率間隔 范圍內(nèi)才比較高；調(diào)制帶寬：調(diào)制帶寬與負載電阻的關(guān)系；3.2 電光調(diào)制3.2.3 電光調(diào)制器的電學性能 1外電路對調(diào)制帶寬的限制 驅(qū)動峰值調(diào)制電壓峰值調(diào)制功率 當調(diào)制晶體的種類、尺寸、激光波長和所要求的相位延遲確定之后，其調(diào)制功率與調(diào)制帶寬成正比關(guān)系。調(diào)制帶寬調(diào)制功率、調(diào)制功率與調(diào)制帶寬的關(guān)系3.2 電光調(diào)制3.2.3 電光調(diào)制器的電學性能2高頻調(diào)制時渡越時間的影響 當調(diào)制頻率極高時，光波在晶體中各部位所受到的調(diào)制電場是不同

15、的渡越時間d=nL/c，dz=cdt/n峰值相位延遲因子高頻相位延遲縮減因子：總相位延遲積分峰值相位延遲因子高頻相位延遲縮減因子：或 光波在晶體內(nèi)的渡越時間必須遠小于調(diào)制信號的周期，才能使調(diào)制效果不受影響。對KDP晶體，若 n=1.5,長 L=1cm,則聲光調(diào)制器結(jié)構(gòu)吸聲裝置Laser inLaser out第3章 光束的調(diào)制與掃描3.3 聲光調(diào)制 聲光調(diào)制基于聲光效應(yīng)。 聲光調(diào)制器組成： 聲光介質(zhì) 電聲換能器 吸聲（或反射）裝置 驅(qū)動電源 聲光調(diào)制器結(jié)構(gòu)復習相關(guān)知識 聲波在介質(zhì)中傳播時，使介質(zhì)產(chǎn)生彈性形變，引起介質(zhì)的密度呈疏密相間的交替分布，因此，介質(zhì)的折射率也隨著發(fā)生相應(yīng)的周期性變化。這如

16、同一個光學“相位光柵”，光柵常數(shù)等于聲波長s。當光波通過此介質(zhì)時，會產(chǎn)生光的衍射。衍射光的強度、頻率、方向等都隨著超聲場的變化而變化。聲光晶體等價于一個相位光柵 拉曼-納斯衍射產(chǎn)生拉曼-納斯衍射的條件：當超聲波頻率較低，光波平行于聲波面入射，聲光互作用長度L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，則聲光介質(zhì)可近似看作為相對靜止的“平面相位柵”。拉曼-納斯衍射的特點 ：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，形成與入射方向?qū)ΨQ分布的多級衍射光。各級衍射的方位角為（最大值的位置） ：各級衍射光的強度為： 衍射效率為：布喇格衍射產(chǎn)生布喇格衍射條件：聲波頻率較高，聲光作用長度

17、L較大，光束與聲波波面間以一定的角度斜入射，介質(zhì)具有“體光柵”的性質(zhì)。 布喇格衍射的特點：衍射光各高級次衍射光將互相抵消，只出現(xiàn)0級和+1級（或1級）衍射光 。 衍射效率為： M2為聲光材料的品質(zhì)因數(shù)，Ps超聲功率；H為換能器的寬度，L為換能器的長度。同樣的改變超聲功率，也可以達到改變一級衍射光的強度。 第3章 光束的調(diào)制與掃描3.3 聲光調(diào)制1. 聲光調(diào)制器的工作原理拉曼納斯衍射各級衍射光強分布 根據(jù)貝塞爾函數(shù)性質(zhì)，零級光最強，兩邊逐漸減弱；但增大時，零級變小，總功率向高級衍射光分配。 第m衍射效率為：-2 -1 0 +1 +2 液槽 超聲信號源 L x1 x2 聲光調(diào)制特性曲線：效率低；工

18、作頻率低，帶寬小。拉曼納斯衍射聲光調(diào)制特性第3章 光束的調(diào)制與掃描3.3 聲光調(diào)制1. 聲光調(diào)制器的工作原理布喇格衍射聲光調(diào)制特性 當入射光與聲波面間夾角滿足一定條件時，介質(zhì)內(nèi)各級衍射光會相互干涉，滿足一定條件時，各高級次衍射光將互相抵消，只出現(xiàn)0級和+l級（或-l級）（視入射光的方向而定）衍射光，即產(chǎn)生布喇格衍射。布喇格方程、布喇格角第3章 光束的調(diào)制與掃描3.3 聲光調(diào)制1. 聲光調(diào)制器的工作原理布喇格衍射聲光調(diào)制特性衍射效率： 聲光調(diào)制特性曲線：效率高；工作頻率可以很高，帶寬大。2. 調(diào)制帶寬 對于給定入射角和波長的光波，只有一個確定的頻率和波矢的聲波才能滿足布拉格條件。當采用有限的發(fā)散

19、光束和聲波場時，波束的有限角將會擴展，因此，在一個有限的聲頻范圍內(nèi)都能產(chǎn)生布拉格衍射。第3章 光束的調(diào)制與掃描3.3 聲光調(diào)制聲光調(diào)制器的帶寬： 允許的聲頻帶寬與布喇格角的可能變化量之間的關(guān)系為 ： 設(shè)入射光束的發(fā)散角為i，聲波束的發(fā)散角為，對于衍射受限制的波束，w0：入射光束束腰半徑；n：為介質(zhì)的折射率；D：聲束寬度。2. 調(diào)制帶寬 第3章 光束的調(diào)制與掃描3.3 聲光調(diào)制2. 調(diào)制帶寬 第3章 光束的調(diào)制與掃描3.3 聲光調(diào)制入射角覆蓋范圍：調(diào)制帶寬 由上述可知：聲光調(diào)制器的帶寬與聲波穿過光束的渡越時間（w0/v0）成反比，即與光束的直徑成反比。用寬度小的光束可以得到較大的帶寬。但光束發(fā)散

20、角不能太大，否則，0級和1級衍射會有部分重疊，降低調(diào)制的效果。3. 聲光調(diào)制器的衍射效率 聲光調(diào)制器的另一重要參量是衍射效率。要得到100的調(diào)制所需要的聲強度為 所需的聲功率 第3章 光束的調(diào)制與掃描3.3 聲光調(diào)制 可見，聲光材料的品質(zhì)因數(shù)M2越大，欲獲得100%的衍射效率所需要的聲功率越小。而且電聲換能器的截面應(yīng)做得長（L大）而窄（H?。?f0：聲中心頻率， 為表征聲光材料的調(diào)制帶寬特性的品質(zhì)因數(shù)。M1值越大，聲光材料制成的調(diào)制器所允許的調(diào)制帶寬越大。3. 聲光調(diào)制器的衍射效率第3章 光束的調(diào)制與掃描3.3 聲光調(diào)制4. 聲束和光束的匹配 為了充分利用聲能和光能，認為聲光調(diào)制器比較合理的

21、情況是工作于聲束和光束的發(fā)散角比，對于聲光調(diào)制器，為了提高衍射光的消光比，希望衍射光盡量與0級光分開，要求衍射光中心和0級光中心之間的夾角大于 ，即大于 。 由于衍射光和0級光之間的夾角（即偏轉(zhuǎn)角）等于 第3章 光束的調(diào)制與掃描3.3 聲光調(diào)制可分離條件為 :d0：為高斯光束腰部直徑，為聲束穿越光束的度越時間。4. 聲束和光束的匹配 第3章 光束的調(diào)制與掃描3.3 聲光調(diào)制第3章 光束的調(diào)制與掃描3.4 磁光調(diào)制 法拉第效應(yīng)：把磁光介質(zhì)如水、鉛玻璃等放到磁場中，使光線平行于磁場方向通過介質(zhì)時，入射的平面偏振光的振動方向就會發(fā)生旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)移角度的大小與磁光介質(zhì)的性質(zhì)、光程和磁場強度等因素有關(guān)。 磁

22、光調(diào)制與電光調(diào)制、聲光調(diào)制一樣，也是把要傳遞的信息轉(zhuǎn)換成光載波的強度（振幅）等參數(shù)隨時間的變化。 所不同的是，磁光調(diào)制是將電信號先轉(zhuǎn)換成與之對應(yīng)的交變磁場，由磁光效應(yīng)改變在介質(zhì)中傳輸?shù)墓獠ǖ钠駪B(tài)，從而達到改變光強度等參量的目的。第3章 光束的調(diào)制與掃描3.4 磁光調(diào)制第3章 光束的調(diào)制與掃描3.5 直接調(diào)制 直接調(diào)制是目前光纖通信系統(tǒng)普遍采用的實用化調(diào)制方法。 根據(jù)調(diào)制信號的類型，直接調(diào)制又可以分為模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制。前者是用連續(xù)的模擬信號（如電視、語音等信號）直接對光源進行光強度調(diào)制，后者是用脈沖編碼調(diào)制的數(shù)字信號對光源進行強度調(diào)制。第3章 光束的調(diào)制與掃描3.5 直接調(diào)制1. 半導體激光

23、器(LD)直接調(diào)制的原理(1) 半導體激光器的輸出特性和光譜特性第3章 光束的調(diào)制與掃描3.5 直接調(diào)制(3) 半導體激光器的調(diào)制原理電路圖(2) 半導體激光器的調(diào)制特性曲線1. 半導體激光器(LD)直接調(diào)制的原理(1) 半導體激光器的輸出特性和光譜特性 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?shù)钠秒娏鱅b，這樣就可以使輸出的光信號不失真。第3章 光束的調(diào)制與掃描3.5 直接調(diào)制2. 半導體發(fā)光二極管(LED)的調(diào)制特性半導體發(fā)光二極管不是閾值器件，它的輸出光功率不會隨注入電流的變化而發(fā)生突變；發(fā)光二極管的PI特性曲線優(yōu)于半導體激光器。在模擬光纖

24、通信系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用；發(fā)光二極管不能獲得很高的調(diào)制速率。正面發(fā)光型發(fā)光二極管端面發(fā)光型發(fā)光二極管第3章 光束的調(diào)制與掃描3.5 直接調(diào)制3. 半導體發(fā)光源的模擬調(diào)制調(diào)制方法調(diào)制深度：調(diào)制特點： m大，調(diào)制信號幅度大, 線性較差； m小，線性好，調(diào)制信號幅度小。 在線性要求較高的應(yīng)用中，需要進行非線性補償，即用電子技術(shù)校正光源引起的非線性失真。第3章 光束的調(diào)制與掃描3.5 直接調(diào)制4. 半導體發(fā)光源的脈沖編碼數(shù)字調(diào)制 數(shù)字調(diào)制是用二進制數(shù)字信號“l(fā)”碼和“0”碼對光源發(fā)出的光波進行調(diào)制。 數(shù)字信號大都采用脈沖編碼調(diào)制，調(diào)制特性曲線如圖。特點： 傳輸過程中引進的噪聲和失真，可采用間接中繼器的方

25、式去掉，故抗干擾能力強； 對數(shù)字光纖通信系統(tǒng)的線性要求不高，可充分利用光源(LD)的發(fā)光功率； 便于和脈沖編碼電話終端、脈沖編碼數(shù)字彩色電視終端、電子計算機終端相連接，從而組成既能傳輸電話、彩色電視，又能傳輸計算機數(shù)據(jù)的多媒體綜合通信系統(tǒng)。第3章 光束的調(diào)制與掃描3.6 光束掃描技術(shù) 激光束掃描技術(shù)是指利用電光效應(yīng)、聲光效應(yīng)、磁光效應(yīng)或機械手段等方法控制光束的傳播方向； 光束掃描技術(shù)廣泛應(yīng)用于光纖通信、各種顯示、傳真和光存儲等方面。如利用電光偏轉(zhuǎn)作成1n的光多路開關(guān)在光纖通訊、光纖傳感網(wǎng)絡(luò)中有重要的應(yīng)用。 在很多應(yīng)用中不僅要求改變光的傳播方向，而且要求具有很高的頻率。 根據(jù)應(yīng)用目的不同可分為兩

26、種類型：一種是光的偏轉(zhuǎn)角連續(xù)變化的模擬式掃描，它能描述光束的連續(xù)位移；另一種是不連續(xù)的數(shù)字掃描，它是在選定空間的某些特定位置上使光束的空間位置“跳變”。前者主要用于各種顯示，后者則主要用于光存儲。 激光光束偏轉(zhuǎn)的方法主要有：(1)機械偏轉(zhuǎn)(2)電光偏轉(zhuǎn)(3)聲光偏轉(zhuǎn)。 圖示為一簡單的機械掃描原理裝置，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，達到光束掃描的目的。 機械掃描方法雖然原始，掃描速度慢，但其掃描角度大而且受溫度影響小，光的損耗小而且適用于各種光波長的掃描。因此，機械掃描方法在目前仍是一種常用的光束掃描方法。它不僅可以用在各種顯示技術(shù)中，

27、而且還可用在微型圖案的激光加工裝置中。3.6 光束掃描技術(shù)3.6.1 機械掃描3.6 光束掃描技術(shù)3.6.2 電光掃描當一平面波經(jīng)過晶體時，光波上部和下部所需時間為：由于通過晶體的時間不同而導致光線A相對于B要落后一段距離：這就意味著光波到達晶體出射面時，其波陣面相對于傳播軸線偏轉(zhuǎn)了一個小角度，其偏轉(zhuǎn)角（在輸出端晶體內(nèi)）為由折射定律 ,光束射出晶體后的偏轉(zhuǎn)角為：電光掃描原理(28)3.6 光束掃描技術(shù)3.6.2 電光掃描結(jié)構(gòu)：由兩塊KDP直角棱鏡組成，棱鏡的三個邊分別沿x、y和z軸方向，兩塊晶體的z軸反向平行，其他兩個軸的取向均相同，電場沿z軸方向；光線沿y方向傳播且沿x方向偏振。雙KDP楔形

28、棱鏡掃描器ABA線完全在上棱鏡中傳播，“經(jīng)歷”的折射率為：B線完全在下棱鏡中傳播，“經(jīng)歷”的折射率為：代入公式：得：假設(shè)偏轉(zhuǎn)電壓是周期變化的鋸齒波，則光束將在一定角度范圍內(nèi)作周期性線性掃描。3.6 光束掃描技術(shù)3.6.2 電光掃描多級棱鏡掃描器例，取L=d=h=1cm 6310.510-12mV n0=1.51 V=l000V得：=3510-7rad。由：AB3.6 光束掃描技術(shù)3.6.2 電光掃描多級棱鏡掃描器例，取L=d=h=1cm 6310.510-12mV n0=1.51 V=l000V增大電光偏轉(zhuǎn)角的方法：得：=3510-7rad。由：所以電光偏轉(zhuǎn)角很小，很難達到使用要求。1. 增大

29、電壓；AB3.6 光束掃描技術(shù)3.6.2 電光掃描多級棱鏡掃描器例，取L=d=h=1cm 6310.510-12mV n0=1.51 V=l000V增大電光偏轉(zhuǎn)角的方法：得：=3510-7rad。由：所以電光偏轉(zhuǎn)角很小，很難達到使用要求。1. 增大電壓；2. 改進結(jié)構(gòu)；3.6 光束掃描技術(shù)3.6.2 電光掃描電光掃描器的基本參量N設(shè)實際的光束的發(fā)散角為 ：ABN相當于電場作用下在聚焦平面上偏轉(zhuǎn)的可分辨點數(shù)。若電光晶體放在高斯光束束腰處，則3.6 光束掃描技術(shù)3.6.2 電光掃描電光數(shù)字式掃描電光數(shù)字式掃描結(jié)構(gòu)分裂角：三級電光數(shù)字式掃描三級電光數(shù)字式掃描原理電光數(shù)字式掃描原理三級電光數(shù)字式掃描輸

30、出與輸入的關(guān)系(50)3.6 光束掃描技術(shù)3.6.2 電光掃描電光開關(guān) 電光數(shù)字式掃描結(jié)構(gòu)的一個應(yīng)用就是可以構(gòu)成通道切換開關(guān)。 常用晶體電光晶體半波電壓較高，在實用中受到限制。 采用集成光路工藝做成的光開關(guān)，控制電壓僅需10V左右，并且可以做成開關(guān)陣列。3.6 光束掃描技術(shù)3.6.2 電光掃描喇叭形集成光開關(guān)原理：利用電光晶體受到外電場作用時某方向折射率將減小的現(xiàn)象。結(jié)構(gòu)：四個喇叭型錐形通道波導構(gòu)成一個平面波導的輸入端和輸出端，此平面波導內(nèi)有一個可通過施加電場而使折射率減小的波導區(qū)。開關(guān)工作過程3.6 光束掃描技術(shù)3.6.3 聲光掃描從前面的聲光布拉格衍射理論分析可知，產(chǎn)生衍射極值應(yīng)滿足布喇格

31、條件:故衍射光與入射光間的夾角（偏轉(zhuǎn)角）等于布拉格角的2倍，可以看出：改變超聲波的頻率就可以改變其偏轉(zhuǎn)角，從而達到控制光束傳播方向的目的，并且有3.6 光束掃描技術(shù) 一種是光的偏轉(zhuǎn)角連續(xù)變化的模擬式掃描，它能描述光束的連續(xù)位移； 另一種是不連續(xù)的數(shù)字掃描，它是在選定空間的某些特定位置上使光束的空間位置“跳變”。 前者主要用于各種顯示，后者則主要用于光存儲。 1. 機械掃描 機械掃描技術(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，即可采用機械掃描方法。 機械掃描技術(shù)是利用反射鏡或棱鏡等光學元件的旋轉(zhuǎn)或振動實現(xiàn)光束掃描。 圖1所示為一簡單的機械掃描原理裝置，激光束入射到一可轉(zhuǎn)動的平面反

32、射鏡上，當平面鏡轉(zhuǎn)動時，平面鏡反射的激光束的方向就會發(fā)生改變，達到光束掃描的目的。 入射光束 掃描光束 反射鏡 圖1 機械掃描裝置示意圖 機械掃描方法雖然原始，掃描速度慢，但其掃描角度大而且受溫度影響小，光的損耗小，而且適用于各種光波長的掃描。因此，機械掃描方法在目前仍是一種常用的光束掃描方法。它不僅可以用在各種顯示技術(shù)中，而且還可用在微型圖案的激光加工裝置中。 2. 電光掃描 電光掃描是利用電光效應(yīng)來改變光束在空間的傳播方向，其原理如圖2所示。 L dBAy xBA光束的偏轉(zhuǎn)方向 圖2 電光掃描原理圖 光束沿y方向入射到長度為L，厚度為d的電光晶體，如果晶體的折射率是坐標x的線性函數(shù)，即 用

33、折射率的線性 變化代替 ， 偏轉(zhuǎn)角 可根據(jù)折射定律 求得（ ）。 式中的負號是由坐標系引進的，即 由y轉(zhuǎn)向x為負。 圖3所示的是根據(jù)這種原理作成的雙KDP楔形棱鏡掃描器。它由兩塊KDP直角棱鏡組成，棱鏡的三個邊分別沿x、y和z軸方向，但兩塊晶體的z軸反向平行。光線沿方向傳播y且沿方x向偏振。外電場沿Z方向（橫向效應(yīng)）。 上部的A線完全在上棱鏡中傳播，“經(jīng)歷”的折射率為 。而在下棱鏡中，B線“經(jīng)歷”的折射率為 。于是上、下折射率之差（ ）為 。得例題：取 L=d=h=1cm，r63=10.510-12mV，no=1.51，V= 1000V。 為了使偏轉(zhuǎn)角加大，而電壓又不致太高，因此常將若干個KD

34、P棱鏡在光路上串聯(lián)起來，構(gòu)成長為mL、寬為d、高為h的偏轉(zhuǎn)器，如圖4所示。則得 =3510-7rad?？梢婋姽馄D(zhuǎn)角是很小的，很難達到實用的要求。 h n+nn-nn+nn-n x y 圖4 多級棱鏡掃描器兩端的兩塊有一個角為/2，中間的幾塊頂角為的等腰三角棱鏡，它們的z軸垂直于圖面，棱鏡的寬度與z軸平行，前后相鄰的二棱鏡的光軸反向，電場沿z軸方向。 各棱鏡的折射率交替為 和 其中 。故光束通過掃描器后，總的偏轉(zhuǎn)角為每級（一對棱鏡）偏轉(zhuǎn)角的m倍， 一般m為410，m不能無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。 3.電光數(shù)字式掃描 由電光晶體和雙折射晶體組合而

35、成，其結(jié)構(gòu)原理如圖5所示。 圖中S為KDP晶體，B為方解石雙折射晶體（分離棱鏡），它能使線偏振光分成互相平行、振動方垂直的兩束光，其間隔 b為分裂度，為分裂角（也稱離散角）。 縱向電光調(diào)制器及其工作原理 上述電光晶體和雙折射晶體就構(gòu)成了一個一級數(shù)字掃描器，入射的線偏振光隨電光晶體上加和不加半波電壓而分別占據(jù)兩個“地址”之一，分別代表“0”和“l(fā)”狀態(tài) 。 若把n個這樣的數(shù)字偏轉(zhuǎn)器組合起來，就能做到n級數(shù)字式掃描。圖6所示為一個三級數(shù)字式掃描器，使入射光分離為23個掃描點的情況。 要使可掃描的位置分布在二維方向上，只要用兩個彼此垂直的n級掃描器組合起來就可以實現(xiàn)。這樣就可以得到2n2n個二維可控

36、掃描位置。 第3章 光束的調(diào)制與掃描3.7 空間光調(diào)制器yx空間光調(diào)制器：可以形成隨xy坐標變化的振幅(或強度)透過率 A(x,y)A0T(x,y)或者是形成隨坐標變化的相位分布 A(x,y)A0Texpi(x,y)結(jié)構(gòu)寫入信號讀出光輸出光電尋址空間光調(diào)制器光尋址空間光調(diào)制器分類反射式透射式第3章 光束的調(diào)制與掃描3.7 空間光調(diào)制器應(yīng)用領(lǐng)域： 光學信息處理系統(tǒng)、顯示器、 光計算機 功能： 圖像轉(zhuǎn)換、顯示、濾波、存儲 優(yōu)點： 能進行實時的二維并行處理、靈活 (x0, y0) (x1, y1) (x, y) L0 L1 L2 0f 1f 1f 2f 2f 物面 頻譜面 象面 O 光學信息處理空間

37、濾波、位相濾波、圖像微分、圖像識別等等 Optical FilterA word “成”Phase gratingCandle不明物體所構(gòu)成的圖像通過CCD1輸入到PC1中,經(jīng)過計算機處理，和計算機內(nèi)部儲存的參考物體構(gòu)成一幅圖像，輸入到SLM1中；平行光束照射到SLM1上，經(jīng)過傅立葉透鏡lens2，在傅立葉平面上形成聯(lián)合功率譜（JTPS）；用CCD2來采集JTPS，輸入到計算機PC2中進行圖像處理，處理完的圖像輸入到SLM2上；經(jīng)過分光鏡分得的平行光照到SLM2上，通過傅立葉透鏡lens3在輸出平面上得到相關(guān)峰；由CCD3攝取目標圖像與參考圖像的聯(lián)合變換相關(guān)點，再輸入到PC3中由其顯示出來；通

38、過判斷相關(guān)點的位置，我們可以確定目標及其方位。模式識別系統(tǒng)計算機 物體 1L 液晶光閥 分光棱鏡 2L 3L Laser 4L 5L CCD 空間光調(diào)制器 基于液晶光閥的光學小波變換光路 利用光學小波變換實現(xiàn)圖像壓縮非相干光-相干光的轉(zhuǎn)化第3章 光束的調(diào)制與掃描3.7.1 泡克耳讀出光調(diào)制器 泡克耳讀出光調(diào)制器(PROM)是一種利用電光效應(yīng)制成的光學編址型空間光調(diào)制器。122341Ir51-透明電極2-絕緣層3-雙色反射層(書上畫錯位置)4-硅酸鉍晶體5-工作電壓6-起偏器7-分束器8-檢偏器IoIw1. 泡克耳讀出光調(diào)制器的結(jié)構(gòu)678第3章 光束的調(diào)制與掃描3.7.1 泡克耳讀出光調(diào)制器2.

39、 泡克耳讀出光調(diào)制器的工作過程施加電壓氙燈閃光擦除電壓反轉(zhuǎn)寫入曝光反射讀出擦除與激發(fā)：首先給PROM加上直流電壓V0。這一電壓被分配到BSO晶片與絕緣層上，如圖(a)所示。然后用脈沖氙燈對其作瞬時、均勻照射。由于BSO具有光電導性，在光照下晶體產(chǎn)生大量電子-空穴對，使BSO成為導體，BSO上的壓降為0，如圖（b）所示。實際上，在外電場作用下，BSO內(nèi)電子-空穴對定向移動，在其左右兩側(cè)界面上產(chǎn)生了正、負電荷積累，從而在BSO內(nèi)形成了一個與外電場方向相反的均勻的內(nèi)電場。關(guān)閉氙燈之后，將PROM兩電極突然短路。此時，外電場撤消，又無光照射BSO，使其失去導電性能，界面上的積累電荷被保留下來，即內(nèi)電場

40、被保留下來。故晶體上出現(xiàn) -V0電壓降，如圖 (c) 所示。由于氙燈照射時光強分布是均勻的，BSO界面電荷分布也是均勻的，內(nèi)電場也必然是均勻的。這一過程無論BSO中原來是否存在已輸入的圖像，都如此。因此它既是PROM的激發(fā)過程，也是其擦除過程，兩個功能同時完成。 寫入：將載有輸入圖像信息的短波長（藍色）光作為寫入光，自圖右側(cè)照射PROM，由于雙色反射層可通過藍光，它將成像在BSO晶片右表面上。在圖像的亮區(qū)，由于光電導效應(yīng)產(chǎn)生電子-空穴對。電子在內(nèi)電場作用下，向BSO的左側(cè)表面遷移，正、負電荷分離后形成的附加電場將抵消一部分內(nèi)電場，使這些區(qū)域的電壓降減小。在圖像的暗區(qū)，則由于電子-空穴對很少，電

41、壓降變化也小，甚至基本保持V0不變。這樣一來，原來圖像的空間光強分布，經(jīng)BSO的光電導效應(yīng)轉(zhuǎn)換成空間電壓分布，即把圖像信息“寫入”了PROM。 讀出：采用長波長（例如=633nm）的紅光作為讀出光，這是因為BSO晶體的光電導效應(yīng)對紅光的靈敏度很低。紅光作為讀出光基本上不會破壞藍光寫入的電壓圖像。通常讀出光采用單色線偏振光，由左側(cè)射入PROM，并分解成振動方向平行于x軸和y軸 的兩個線偏振分量。由于BSO晶片的雙折射，它們在晶片中的相位延遲會不同。經(jīng)雙色反射層反射后，它們再次通過晶片，且相位延遲的差異加倍，最后由左方射出，形成輸出光IO。IO波面各處的偏振態(tài)受到按寫入圖像形成的電場（電壓）分布的

42、調(diào)制。如果令其通過檢偏器，則IO上各像元素的振幅或光強也獲得相應(yīng)調(diào)制。若使讀出光沿x或y方向偏振，且不加偏振器，則可獲得相位調(diào)制。 3.7 空間光調(diào)制器yx 前面所介紹的各種調(diào)制器是對一束光的“整體”進行作用，而且對與光傳播方向相垂直的xy平面上的每一點其效果是相同的。空間光調(diào)制器可以形成隨xy坐標變化的振幅(或強度)透過率 A(x,y)A0T(x,y)或者是形成隨坐標變化的相位分布 A(x,y)A0Texpi(x,y) 或者是形成隨坐標變化的不同的散射狀態(tài)。顧名思義，這是一種對光波的空間分布進行調(diào)制的器件。它的英文名稱是Spatial Light Modulator(SLM)。 空間光調(diào)制器含有許多獨立單元，它們在空間排列成一維或二維陣列，每個單元都可以獨