第3章-光束的調(diào)制和掃描

第3章光束的調(diào)制和掃描光電子技術(shù)基礎(chǔ)厚德博學(xué)求實創(chuàng)新學(xué)習(xí)目標(biāo)

通過本章學(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)。

第三章光束的調(diào)制和掃描

[教學(xué)目的]1、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。3、了解光束掃描技術(shù)、空間光調(diào)制器。[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。難點：電致折射率變化，電光相位延時分析。3.1光束調(diào)制原理要用激光作為信息的載體，就必須解決如何將信息加到激光上去的問題。調(diào)制（將信息加載到激光的過程）調(diào)制器光波的電場為：式中Ac為振幅，wc為角頻率，jc為相位角。

既然光束具有振幅、頻率、相位、強(qiáng)度和偏振等參量，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。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：內(nèi)調(diào)制(直接調(diào)制)和外調(diào)制內(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)，從而改變激光器輸出特性以實現(xiàn)調(diào)制。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。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。1、振幅調(diào)制若調(diào)制信號是一時間的余弦函數(shù)，即：調(diào)幅波的表達(dá)式為：調(diào)幅波的頻譜為：載頻分量邊頻分量2、頻率調(diào)制和相位調(diào)制<角度調(diào)制>調(diào)頻或調(diào)相就是光載波的頻率或相位隨著調(diào)制信號的變化規(guī)律而改變的振蕩。對頻率調(diào)制來說，就是式中的角頻率c隨調(diào)制信號變化：

調(diào)頻系數(shù)則調(diào)制波的表達(dá)式為:同樣，相位調(diào)制就是相位角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

調(diào)相系數(shù)3、強(qiáng)度調(diào)制光強(qiáng)隨調(diào)制信號規(guī)律變化的激光振蕩光束調(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：光強(qiáng)比例系數(shù)仍設(shè)調(diào)制信號是單頻余弦波，則強(qiáng)度調(diào)制系數(shù)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)稱為模擬調(diào)制。I(t)t調(diào)制信號載波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)律變化的調(diào)制方法。不連續(xù)狀態(tài)下進(jìn)行調(diào)制先電調(diào)制，再光強(qiáng)度調(diào)制(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

5、脈沖編碼調(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（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”激光載波的極大值；“0”激光載波的零值。3.2電光調(diào)制利用電光效應(yīng)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)和橫向電光效應(yīng)均可實現(xiàn)電光強(qiáng)度調(diào)制。（1）電致折射率的變化外加電場的方向平行于z軸將x坐標(biāo)和y坐標(biāo)繞z軸旋轉(zhuǎn)45角（2）電光相位延遲縱向電光效應(yīng)電場方向與光束在晶體中的傳播方向一致橫向電光效應(yīng)電場與光束在晶體中的傳播方向垂直。

與外加電場無關(guān)，是由晶體本身自然雙折射引起的電光效應(yīng)相位延遲3.2.2電光強(qiáng)度調(diào)制和電光相位調(diào)制1.電光強(qiáng)度調(diào)制外加電場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)。加電場通常有兩種方式：一是電場沿晶體主軸軸（光軸方向），電場與光束傳播方向平行，即產(chǎn)生縱向電光效應(yīng)；二是電場沿晶體的任一主軸軸，而光束的傳播方向與電場方向垂直，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。⑴縱向電光調(diào)制器及其工作原理縱向電光強(qiáng)度調(diào)制起的結(jié)構(gòu)如圖所示入射光P1IixyzxyP2Io調(diào)制光~VL起偏器/4波片檢偏器進(jìn)入晶體后被分解為沿x和y方向的兩個分量，其振幅和相位都相同，分別為：入射光強(qiáng)度為通過長度為L的晶體之后，和兩個分量之間產(chǎn)生了一相位差，則有，。，

或

那么，通過檢偏器后的總電場強(qiáng)度是和在y方向的投影之和，即與之相應(yīng)的輸出光強(qiáng)為：調(diào)制器的透過率

50100透過率(%)0透射光強(qiáng)時間電壓調(diào)制電壓VV/2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。調(diào)制光強(qiáng)發(fā)生畸變1、附加一個的固定偏壓

會增加電路的復(fù)雜性，而且工作點的穩(wěn)定性也差。2、在調(diào)制器的光路上插入一/4波片，解決辦法和兩個分量之間產(chǎn)生/2的固定相位差

于是總相位差為調(diào)制的透過率可表示為線性調(diào)制的判據(jù)：

優(yōu)點：

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。缺點：

半波電壓太高，特別在調(diào)制頻率較高時；功率損耗比較大。⑵橫向電光調(diào)制在此僅以KDP晶體的第一類運(yùn)用方式為代表進(jìn)行分析沿z軸方向加電場，通光方向垂直于z軸，并與x軸或y軸成45夾角(晶體為45-z切割)。-x從晶體出射兩光波的相位差為:

可見，KDP晶體的橫向電光效應(yīng)使光波通過晶體后的相位延遲包括兩項：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;

第二項:是外電場作用產(chǎn)生的相位延遲下圖所示的是一電光相位調(diào)制的原理圖，它由起偏器和電光晶體組成。起偏器的偏振方向平行于晶體的感應(yīng)主軸x’(或y’)，此時入射晶體的線偏振光不再分解成沿x’、y’兩個分量，而是沿著x’(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)，僅改變其相位，相位的變化為2

電光相位調(diào)制這里的因為光波只沿x’方向偏振，相應(yīng)的折射率為。若外加電場是,在晶體入射面(z＝0)處的光場，則輸出光場(z＝L處)就變?yōu)槁匀ナ街邢嘟堑某?shù)項，因為它對調(diào)制效果沒有影響，則上式可寫成

式中稱為相位調(diào)制系數(shù)。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信息。(2).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。(4).工作穩(wěn)定性好。設(shè)計電光調(diào)制器應(yīng)考慮的問題3.3聲光調(diào)制光波在聲光晶體中的傳播聲波是彈性波，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)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)。

1

聲光效應(yīng)彈光效應(yīng)：由于外力作用而引起光學(xué)性質(zhì)變化的現(xiàn)象。聲波作為一種彈性波，在晶體中傳播時，會造成介質(zhì)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。

(1)拉曼-納斯衍射產(chǎn)生拉曼-納斯衍射的條件：當(dāng)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。sLxy聲波陣面聲波光波陣面拉曼-納斯衍射圖各級衍射的方位角為（最大值的位置）：各級衍射光的強(qiáng)度為：3210-1-2-3衍射效率為：(2)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。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(dá)到改變一級衍射光的強(qiáng)度。

聲光效應(yīng)與電光效應(yīng)對比相似之處：晶體在受到外部作用后，才出現(xiàn)光學(xué)性質(zhì)的變化，具體表現(xiàn)為折射率的分布發(fā)生改變。區(qū)別：

電光效應(yīng)中，外加電場的加入是起因。聲光效應(yīng)中，造成折射率變化的因素是應(yīng)變或應(yīng)力。聲波傳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聲波傳播方向布拉格方式（反射）聲波傳播方向入射波0級1級1級2級2級拉曼－納斯方式聲波傳播方向入射波衍射波聚焦布拉格方式（聚焦）3.3.2聲光調(diào)制的工作原理

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：（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。（1）聲光介質(zhì)聲光相互作用的區(qū)域（2）電-聲換能器超聲發(fā)生器

壓電晶體或壓電半導(dǎo)體的反壓電效應(yīng)將電功率轉(zhuǎn)換成聲功率

（3）吸聲（或反射）裝置避免返回介質(zhì)產(chǎn)生的干擾（4）驅(qū)動電源

工作原理：調(diào)制信號是以電信號(調(diào)輻)形式作用于電-聲換能器上，電-聲換能器將相應(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，由于聲光作用，使光載波受到調(diào)制而成為“攜帶”信息的強(qiáng)度調(diào)制波。

特性曲線衍射效率s與超聲功率Ps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，使其工作在線性較好的區(qū)域。tPsId(fm)fm(Is)0Ps圖1聲光調(diào)制特性曲線1、拉曼-納斯型聲光調(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-納斯型聲光調(diào)制器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。當(dāng)工作頻率較高時，聲光作用區(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。

效率低，光能利用率低。衍射光調(diào)制信號入射光圖3聲光調(diào)制器布喇格型2、布喇格型聲光調(diào)制器

布喇格型聲光調(diào)制器工作原理如圖3所示。tPsId(fm)fm(Is)0圖3聲光調(diào)制特性曲線

布喇格聲光調(diào)制特性曲線與電光強(qiáng)度調(diào)制相似，如圖3所示。由圖可以看出：衍射效率s與超聲功率Ps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，使其工作在線性較好的區(qū)域。

由此可見，若對聲強(qiáng)加以調(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，故多被采用。

在聲功率Ps(或聲強(qiáng)Is)較小的情況下，衍射效率s隨聲強(qiáng)度Is單調(diào)地增加(近似呈線性關(guān)系)：相對于聲波波前以B

入射的波導(dǎo)光波穿過輸出棱鏡時，得到與入射光束成2B

角的1級衍射光。其光強(qiáng)為

：在電場作用下導(dǎo)波光通過長度為L距離的相位延遲；B:是一比例系數(shù)，它取決于波導(dǎo)的有效折射率neff等因素。上式表明，衍射光強(qiáng)I1隨電壓V的變化而變化，從而可實現(xiàn)對波導(dǎo)光的調(diào)制。

3.4磁光調(diào)制磁光調(diào)制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

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。3.5直接調(diào)制

直接調(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LD或半導(dǎo)體發(fā)光二極管LED），從而獲得調(diào)制光信號。由于它是在光源內(nèi)部進(jìn)行的，因此又稱為內(nèi)調(diào)制。分類：模擬調(diào)制數(shù)字調(diào)制一.半導(dǎo)體激光器（LD）直接調(diào)制的原理

LD是電子與光子相互作用并進(jìn)行能量直接轉(zhuǎn)換的器件。圖3-20為砷鎵鋁雙異質(zhì)結(jié)注入式半導(dǎo)體激光器的輸出光功率與驅(qū)動電流的關(guān)系曲線。105050100It

150200驅(qū)動電流(mA)輸出功率(mW)圖3-20半導(dǎo)體激光器的輸出特性閾值電流100806040208509501050波長(m)相對輻射強(qiáng)度(%)高于閾值（發(fā)射激光）低于閾值（基本不發(fā)光）圖3-21半導(dǎo)體激光器的光譜特性圖3-21所示半導(dǎo)體激光器的光譜特性。

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)。若把調(diào)制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。

廣泛應(yīng)用于光纖通信、光盤和光復(fù)印等。

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)钠秒娏鱅b，這樣就可以使輸出的光信號不失真。

輸出功率直流偏置調(diào)制信號輸出光強(qiáng)信號ttt(b)CL~LD調(diào)制信號直流偏置(a)圖3-22半導(dǎo)體激光器調(diào)制(a)電原理圖；(b)調(diào)制特性曲線半導(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，由于有直流偏置，所以功耗較大，甚至引起溫升，會影響或破壞器件的正常工作。

二、半導(dǎo)體發(fā)光二極管調(diào)制特性

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流的變化而發(fā)生突變，因此，LED的P－I特性曲線的線性比較好。圖3-23示出了LED與LD的P－I特性曲線的比較。LD2LD1LED1LED2LED3LED4I(mW)Pout(mW)1614121086420100200300400圖3-23LED與LD的Pout-I曲線比較三.半導(dǎo)體光源的模擬調(diào)制

無論是使用LD或LED作光源，都要施加偏置電流Ib，使其工作點處于LD或LED的P－I特性曲線的直線段，如圖7所示。其調(diào)制線性好壞與調(diào)制深度m有關(guān)：LEDUb+EcIc已調(diào)光波(a)PoutItIco(b)圖3-24模擬信號驅(qū)動電路激光強(qiáng)度調(diào)制(a)驅(qū)動電路；(b)LED工作特性四.半導(dǎo)體光源的脈沖編碼數(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。3、然后，再用脈沖編碼數(shù)字信號對光源進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制，其調(diào)制特性曲線如下圖所示。PoutIbID

ttI(a)OPoutIO

t(b)數(shù)字調(diào)制特性(a)加Ib后LD數(shù)字調(diào)制特性

(b)LED數(shù)字調(diào)制特性由于數(shù)字光通信的突出優(yōu)點，所以其有很好應(yīng)用的前景。3.6光束掃描技術(shù)

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，在選定空間的某些特定位置上使光束的空間位置“跳變”。

主要用于光存儲

1.機(jī)械掃描

定義：利用反射鏡或棱鏡等光學(xué)元件的旋轉(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。如果只需要改變光束的方向，即可采用機(jī)械掃描方法。

下圖所示為一簡單的機(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)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(dá)到光束掃描的目的。

入射光束掃描光束

反射鏡

機(jī)械掃描裝置示意圖缺點：掃描速度慢優(yōu)點：掃描角度大；受溫度影響??；光的損耗小；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。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)或振動實現(xiàn)光束掃描。見右圖。發(fā)送端光機(jī)掃描：激光束入射到一可轉(zhuǎn)動的多棱反射鏡上，當(dāng)多面鏡轉(zhuǎn)動時，多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。接收端的光束掃描：擺動平面反射鏡，使探測器依次接收到來自不同空間方向的輻射。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，其原理如下圖所示。L

dBAy

xBA光束的偏轉(zhuǎn)方向電光掃描原理圖

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(biāo)x的線性函數(shù)，即用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(fù)號是由坐標(biāo)系引進(jìn)的，即

由y轉(zhuǎn)向x為負(fù)。下圖所示的是根據(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