《光電子技術(shù)基礎(chǔ)》課件第4章

4.1光輻射調(diào)制原理4.2電光調(diào)制4.3聲光調(diào)制4.4磁光調(diào)制4.5直接調(diào)制4.6光束掃描技術(shù)4.7空間光調(diào)制器第4章光輻射的調(diào)制

4.1光輻射調(diào)制原理

激光是一種光頻電磁波，具有良好的相干性，并與無線電波相似。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的問題。這種將信息加載于激光的過程稱為調(diào)制，完成這一過程的裝置稱為調(diào)制器。其中，激光稱為載波，有控制作用的低頻信息稱為調(diào)制信號。

光波的電場強度為

(4.1.1)4.1.1振幅調(diào)制

振幅調(diào)制就是載波的振幅隨調(diào)制信號的規(guī)律而變化的振蕩，簡稱調(diào)幅。若調(diào)制信號是一時間的余弦函數(shù)，即

(4.1.2)

式中，Am為調(diào)制信號的振幅；ωm為調(diào)制信號的角頻率。在進(jìn)行激光束振幅調(diào)制之后，式(4.1.1)中的振幅不再是常量，而與調(diào)制信號成正比。調(diào)幅波的表達(dá)式為

(4.1.3)利用三角函數(shù)公式將式(4.1.3)展開，得到調(diào)幅波的頻譜公式，即

(4.1.4)

式中，ma=Am/Ac稱為調(diào)制系數(shù)。由式(4.1.4)可知，調(diào)幅波的頻譜由三個頻率成分組成，第一項是載頻分量，第二、三項是因調(diào)制產(chǎn)生的新分量，稱為邊頻分量，如圖4-1所示。圖4-1調(diào)幅波頻譜4.1.2頻率調(diào)制和相位調(diào)制

對頻率調(diào)制來說，就是式(4.1.1)中的角頻率ωc不再是常數(shù)，而是隨調(diào)制信號變化的量，即

(4.1.5)

若調(diào)制信號仍為一余弦函數(shù)，則調(diào)頻波的總相位角為

(4.1.6)則調(diào)制波的表達(dá)式為

(4.1.7)

式中，kf為頻率比例系數(shù)；mf=Δω/ωm為調(diào)頻系數(shù)。同樣，相位調(diào)制就是式(4.1.1)中的相位角jc隨調(diào)制信號的變化規(guī)律而變化的，調(diào)相波的總相角為

(4.1.8)

則調(diào)相波的表達(dá)式為

(4.1.9)

式中，kj為相位比例系數(shù);mj=kjAm為調(diào)相系數(shù)。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:

(4.1.10)

將式(4.1.10)按三角公式展開，并應(yīng)用可以得到

(4.1.11)4.1.3強度調(diào)制

強度調(diào)制是光載波的強度(光強)隨調(diào)制信號規(guī)律變化的激光振蕩，如圖4-2所示。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)其所接收的光強變化。光束強度定義為光波電場的平方，其表達(dá)式為

(4.1.12)于是，強度調(diào)制的光強可表示為

(4.1.13)

式中，kp為光強比例系數(shù)，仍設(shè)調(diào)制信號是單頻余弦波，則

(4.1.14)圖4-2強度調(diào)制4.1.4脈沖調(diào)制

脈沖調(diào)制是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。即先用模擬調(diào)制信號對一個電脈沖序列的某參量(幅度、寬度、頻率和位置等)進(jìn)行電調(diào)制，使之按調(diào)制信號規(guī)律變化，成為已調(diào)脈沖序列，如圖4-3所示。然后再用這一已調(diào)電脈沖序列對光載波進(jìn)行強度調(diào)制，就可以得到相應(yīng)變化的光脈沖序列。圖4-3脈沖調(diào)制形式脈沖調(diào)制有脈沖幅度調(diào)制、脈沖寬度調(diào)制、脈沖頻率調(diào)制和脈沖位置調(diào)制等。例如用調(diào)制信號改變電脈沖序列中每一個脈沖產(chǎn)生的時間，則其每個脈沖的位置與其未調(diào)制時的位置有一個與調(diào)制信號成比例的位移，這種調(diào)制稱為脈位調(diào)制，如圖4-3(e)所示。進(jìn)而再對光載波進(jìn)行調(diào)制，便可以得到相應(yīng)的光脈位調(diào)制波，其表達(dá)式為

(4.1.15)4.1.5脈沖編碼調(diào)制

脈沖編碼調(diào)制是把模擬信號先變成電脈沖序列，進(jìn)而變成代表信號信息的二進(jìn)制編碼，再對光載波進(jìn)行強度調(diào)制。要實現(xiàn)脈沖編碼調(diào)制，必須進(jìn)行三個過程：抽樣、量化和

編碼。

4.2電光調(diào)制

4.2.1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)如圖4-4所示。圖4-4縱向電光強度調(diào)制器的結(jié)構(gòu)當(dāng)沿晶體z軸方向加電場后，晶體的感應(yīng)主軸x′和y′分別旋轉(zhuǎn)到與原主軸x和y成45°的夾角方向。因此沿z軸入射的光束經(jīng)起偏器變?yōu)槠叫杏趚方向的線偏振光，進(jìn)入晶體后(z＝0)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

或采用復(fù)數(shù)表示為由于光強正比于電場的平方，因此入射光強度為

(4.2.1)當(dāng)光通過長度為L的晶體之后，由于電光效應(yīng)，Ex′和Ey′兩個分量之間產(chǎn)生了一相位差Δj，則有Ex′(L)=A,Ey′(L)=Ae－iΔj。那么，通過檢偏器后的總電場強度是Ex′(L)和Ey′(L)在y軸方向的投影之和，即

與之相應(yīng)的輸出光強為

(4.2.2)應(yīng)用電光晶體的相關(guān)知識，可得到調(diào)制器的透過率為

(4.2.3)

根據(jù)上述關(guān)系可以畫出光強調(diào)制特性曲線，如圖4-5所示。圖4-5電光調(diào)制特性曲線于是式(4.1.18)中的總像位差為

式中，Δjm=πUm/Uπ是相應(yīng)于外加調(diào)制信號電壓Vm的相位差。因此，調(diào)制的透過率可表示為

(4.2.4)利用貝塞爾函數(shù)將上式中的sin(Δjmsinωmt)展開得

(4.2.5)

可見，輸出的調(diào)制光中含有高次諧波分量，使調(diào)制光發(fā)生畸變。為了獲得線性調(diào)制，必須將高次諧波控制在允許的范圍內(nèi)。設(shè)基頻波和高次諧波的幅度值分別為I1和I2n+1，則高次諧波與基頻波成分的比值為

(4.2.6)若取Δjm=1rad，則J1(1)=0.44，J3(1)=0.02，=0.045，即三次諧波為基頻波的5%。在這個范圍內(nèi)可近似為線性調(diào)制，因而有

(4.2.7)

式中，Δjm作為線性調(diào)制的判據(jù)。此時J1(Δjm)≈

Δjm,代入式(4.2.5)得

(4.2.8)故為了獲得現(xiàn)行調(diào)制，要求調(diào)制信號不宜過大(小信號調(diào)制)，那么輸出光強調(diào)制波就是調(diào)制信號U=Umsinωmt的線性復(fù)現(xiàn)。如果Δjm≤1rad的條件不能滿足(大信號調(diào)制)，則光強調(diào)制波就要發(fā)生畸變。

2.橫向電光調(diào)制

橫向光電調(diào)制的運用可以分為三種不同形式：

(1)沿z軸方向加電場，通光方向垂直于z軸，并與y軸成45°夾角(晶體為45°z切割)。

(2)沿x軸方向加電場(即電場垂直于光軸)，通光方向垂直于x軸，并與z軸成45°夾角(晶體為45°x切割)。

(3)沿y軸方向加電場(即電場垂直于光軸)，通光方向垂直于y軸，并與z軸成45°夾角(晶體為45°z切割)。在此僅以KDP晶體的第一類運用方式代表進(jìn)行分析。橫向電光調(diào)制如圖4-6所示。因為外加電場沿z軸方向，因此和縱向應(yīng)用一樣，Ex=Ey=0，Ez=E，晶體的主軸旋轉(zhuǎn)45°至x′，y′。但此時的通光方向與z軸垂直，并沿y′方向入射(入射光偏振方向與z軸成45°夾角)。進(jìn)入晶體后，將分解為沿x′和z軸方向振動的兩個方量，其折射率分別為nx′和nz。若通光方向的晶體長度為L，厚度(兩電極間的距離)為d，外加電壓U=Ed，則晶體出射兩光波的相位差為

(4.2.9)圖4-6橫向電光調(diào)制當(dāng)它們經(jīng)過第一塊晶體之后，兩束光的相位差為

經(jīng)過λ/2波片后，兩束光的偏轉(zhuǎn)方向各旋轉(zhuǎn)90°，經(jīng)過第二塊晶體后，原來的e1光變成了o2光，o1光變成了e2光，則它們經(jīng)過第二塊晶體后，其相位差為于是，通過兩塊晶體之后的總相位差為

(4.2.10)

因此，若兩塊晶體的尺寸、性能及外界環(huán)境完全相同，則自然雙折射的影響即可得到補償。4.2.2電光相位調(diào)制

電光相位調(diào)制的原理圖如圖4-7所示，電光相位調(diào)制器由偏振器和電光晶體組成。偏振器的偏振方向平行于晶體的感應(yīng)主軸x′(或y′)，此時入射到晶體的線偏振光不再分解沿x′、y′的兩個分量，而是沿x′(或y′)軸一個方向偏振，故外加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

(4.2.11)圖4-7電光相位調(diào)制原理圖因為光波只沿x′方向偏振，相應(yīng)的折射率為

若外加電場是Ez=Emsinωmt，在晶體入射面(z=0處)的光場為Ei=Ecsinωct，則輸出光場(z=L處)就變?yōu)?/p>

省略式中相角的常數(shù)項(它對調(diào)制效果沒有影響)，則上式可寫成

(4.2.12)4.2.3電光調(diào)制器的電學(xué)性能

1.外電路對調(diào)制帶寬的限制

調(diào)制帶寬是電光調(diào)制器的一個重要參量，對于電光調(diào)制器來說，晶體的電光效應(yīng)本身不會限制調(diào)制器的頻率特性，因為晶格的諧振頻率可以達(dá)1THz(1012Hz)，所以，調(diào)制

器的調(diào)制帶寬主要是受其外電路參數(shù)的限制。電光調(diào)制器的等效電路如圖4-8所示。其中，Us和Rs分別表示調(diào)制電壓和調(diào)制電源內(nèi)阻，C0為調(diào)制器的等效電容，Re和R分別為導(dǎo)線電阻和晶體的直流電阻。由圖4-8可知，作用到晶體上的實際電壓為圖4-8電光調(diào)制的等效電路圖在低頻調(diào)制時，一般有R>>Rs+Re，iωC0也較小，因此信號電壓可以有效地加到晶體上。但是，當(dāng)調(diào)制頻率增高時，調(diào)制晶體的交流阻抗變小，當(dāng)Rs′

>(ωC0)－1時，大部分調(diào)制電壓就降在Rs上，調(diào)制電源與晶體負(fù)載電路之間阻抗不匹配，這時調(diào)制效率就要大大降低,甚至不能工作。實現(xiàn)阻抗匹配的辦法是在晶體兩端并聯(lián)一電感L，構(gòu)成一個并聯(lián)諧振回路，其諧振頻率為ω02=(LC0)－1，另外再并聯(lián)一個分流電阻RL,其等效電路如圖4-9所示。圖4-9調(diào)制器的并聯(lián)諧振回路因此，欲使調(diào)制波不發(fā)生畸變，其最大可容許調(diào)制帶寬(即調(diào)制信號占據(jù)的頻帶寬度)必須小于Δf,Δf為

(4.2.13)

實際上，對調(diào)制器帶寬的要求取決于具體的應(yīng)用。此外，還要求有一定的峰值相位延遲Δjm，與之相應(yīng)的驅(qū)動峰值調(diào)制電壓為

(4.2.14)對于KDP晶體，為得到最大的相位延遲所需要的驅(qū)動功率為

(4.2.15)

由式(4.2.13)和式(4.2.15)可得

(4.2.16)

2.高頻調(diào)制對渡越時間的影響

當(dāng)調(diào)制頻率極高時，在光波通過晶體的渡越時間內(nèi)，電場可能發(fā)生較大的變化，即晶體中不同部位的調(diào)制電壓不同，特別是當(dāng)調(diào)制周期(2π/ωm)與渡越時間τd(=nL/c)可以相比擬時，光波在晶體中各部位所受到的調(diào)制電場是不同的，相位延遲的積累受到破壞，這時總的相位延遲應(yīng)由以下積分得出

(4.2.17)

式中，E(t′)為瞬時電場；a=2πn03γ63。光波通過晶體的時間為τd(=nL/c)；dz=(c/n)dt，因此，上式可改寫為

(4.2.18)

設(shè)外加電場是單頻余弦信號，于是

(4.2.19)例如，若取|γ|=0.9處為調(diào)制限度(對應(yīng)ωmτd=π/2)，則調(diào)制頻率的上限為

(4.2.20)

對于KDP晶體，若取n＝1.5，長度L＝1cm,則得

fm=1.5×109Hz。4.2.4電光波導(dǎo)調(diào)制器

前面討論的電光調(diào)制器都是具有較大體積尺寸的分離器件，一般稱為“體調(diào)制器”。其缺點在于要給整個晶體施加外電場，要改變晶體的光學(xué)性能，需要加相當(dāng)高的電壓，從而使通過的光波受到調(diào)制。利用光波導(dǎo)器件則可以把光波限制在微米量級的波導(dǎo)區(qū)中，并使其沿一定方向傳播。光波導(dǎo)調(diào)制器主要采用由介質(zhì)構(gòu)成的平面波導(dǎo)，如圖4-10所示。圖4-10平面波導(dǎo)的橫截面

1.電光波導(dǎo)調(diào)制器的調(diào)制原理

電光波導(dǎo)調(diào)制器的物理基礎(chǔ)仍是晶體介質(zhì)的線性電光效應(yīng)。當(dāng)波導(dǎo)上加電場時，產(chǎn)生介電張量(折射率)的微小變化，引起波導(dǎo)中本征模傳播特性的變化或不同模式之間功率的耦合轉(zhuǎn)換。即一個輸入TE模(或TM模)的功率轉(zhuǎn)換到輸出TM模(或TE模)上去，相應(yīng)的耦合方程為

(4.2.21)

式中,AmTE，AlTM分別為第m階和第l階模振幅；βmTE,βlTM分別為兩個模的傳播常數(shù)；k為模耦合系數(shù)，其表達(dá)式為

(4.2.22)設(shè)波導(dǎo)層電光材料是均勻的而且電場分布也是均勻的，TE模和TM模完全限制在波導(dǎo)層中，且具有相同的階次(m=l)時，式(4.2.22)的積分取最大值，TE模和TM模的場分布幾乎相同，僅電矢量的方向不同，同時βmTE≈βlTM=β=k0n0，則耦合系數(shù)近似為

(4.2.23)在相位匹配條件下，βmTE=βlTM，若光波以單一模式輸

入，Am=A0，Al=0，則式(4.2.21)的解為

(4.2.24)

由式(4.2.23)可見，在長度為L(z=L)的波導(dǎo)中，要獲得完全的TE模到TM模的功率轉(zhuǎn)換，必須滿足kL=π/2。此時光波導(dǎo)的長度為

(4.2.25)而功率轉(zhuǎn)換為零時，對應(yīng)的波導(dǎo)長度為

(4.2.26)

一般情況下，耦合系數(shù)k小于式(4.2.23)之值,因此為了獲得完全功率轉(zhuǎn)換所需要的E、L值要相應(yīng)增大。

2.電光波導(dǎo)相位調(diào)制

圖4-11所示為LiNbO3電光波導(dǎo)相位調(diào)制器的結(jié)構(gòu)。圖4-11

LiNbO3電光波導(dǎo)相位調(diào)制器的結(jié)構(gòu)當(dāng)電極上施加調(diào)制電壓時，如果波導(dǎo)中傳播的是TM模，電場矢量沿z軸(對應(yīng)晶體的c軸)，主要電場分量是Ez

，由于波導(dǎo)折射率因電光效應(yīng)發(fā)生變化，因而導(dǎo)波光通過電極區(qū)后，其相位隨調(diào)制電壓而變化，即

(4.2.27)

式中，Ez是平面電極在縫隙中產(chǎn)生的沿c軸方向的電場分量;l為電極的長度;γ33為電光系數(shù)。對于電光波導(dǎo)相位調(diào)制，不涉及不同模之間的互耦合，其模式的振幅方程為

(4.2.28)

其解為Am(x)=Am(0)exp(－ikmmx)。如Ey入射波對應(yīng)于TM模，其模場可表示為

(4.2.29)式中的自耦系數(shù)為

(4.2.30)

式中，ΔεTM-TM為Δε22。另外，引入平面波導(dǎo)TM模功率歸一化表達(dá)式為

代入式(4.2.30)，即可確定自耦系數(shù)kyy。

3.電光波導(dǎo)強度調(diào)制

電光波導(dǎo)強度調(diào)制器的結(jié)構(gòu)類似于“馬赫-曾德”(MZ)干涉儀。MZ干涉儀型電光波導(dǎo)強度調(diào)制器如圖4-12所示。圖4-12

MZ干涉儀型電光波導(dǎo)強度調(diào)制器在MZ干涉儀型強度調(diào)制器中，為了提高其調(diào)制深度及降低插入損耗，必須采取以下措施：

(1)分支張角不宜太大(一般為1°左右)，因為張角越大，輻射損耗越大。

(2)波導(dǎo)必須設(shè)計成單模，防止高階模被激勵。

(3)波導(dǎo)和電極在結(jié)構(gòu)上應(yīng)嚴(yán)格對稱，使兩個調(diào)相波的固定相位差等于零。4.3聲光調(diào)制

聲光調(diào)制是基于聲光效應(yīng)而實現(xiàn)的。聲光調(diào)制器由聲光介質(zhì)、電-聲換能器、吸聲(或反射)裝置及驅(qū)動電源等組成，其結(jié)構(gòu)如圖4-13所示。圖4-13聲光調(diào)制器的結(jié)構(gòu)4.3.1聲光調(diào)制器的工作原理

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。調(diào)制信號是以電信號(調(diào)幅)形式作用于電聲換能器上，再轉(zhuǎn)化為以電信號形式變化的超聲場，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”信息的強度調(diào)制波。

布拉格聲光調(diào)制特性曲線與電光強度調(diào)制相似，如

圖4-14所示。圖4-14聲光調(diào)制特性曲線對于拉曼-納斯型衍射，工作聲源率低于10MHz，圖

4-15(a)示出了這種調(diào)制器的工作原理，其各級衍射光強為Jn2(υ)的倍數(shù)。若取某一級衍射光作為輸出，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υ變化的調(diào)制光。由于拉曼-納斯型衍射效率低，光能利用率也低，當(dāng)工作頻率較高時，乘余的作用區(qū)長度L太小，要求的聲功率很高，因此拉曼-納斯型聲光調(diào)制器只限于在低頻工作，只具有有限的帶寬。圖4-15聲光調(diào)制器對于布拉格型衍射，其衍射效率由給出。布拉格型聲光調(diào)制器工作原理如圖4-15(b)所示。在聲功率Ps(或聲強Is)較小的情況下，衍射效率ηs隨聲強度Is單調(diào)地增加(呈線性關(guān)系)，則

(4.3.1)4.3.2調(diào)制帶寬

調(diào)制帶寬是聲光調(diào)制器的一個重要參量，它是衡量能否無畸變地傳輸信息的一個重要指標(biāo)，它受到布拉格帶寬的限制。對于布拉格型聲光調(diào)制器而言，在理想的平面光波和聲波情況下，波矢量是確定的，因此對給定入射角和波長的光波，只能有一個確定頻率和波矢的聲波才能滿足布拉格條件。當(dāng)采用有限的發(fā)散光束和聲波場時，波束的有限角將會擴(kuò)展，因此，在一個有限的聲頻范圍內(nèi)才能產(chǎn)生布拉格

衍射。根據(jù)布拉格衍射方程，得到允許的聲頻帶寬Δfs與布拉格角的可能變化量Δθb之間的關(guān)系為

(4.3.2)設(shè)入射光束的發(fā)散角為δθi，聲波束的發(fā)散角為

dj，對于衍射受限制的波束，這些波束發(fā)散角與波長和束寬的關(guān)系分別近似為

(4.3.3)

式中，w0為入射光束束腰半徑；n為介質(zhì)的折射率；D為聲束寬度。顯然入射角(光波矢ki與聲波矢ks之間的夾角)覆蓋范圍應(yīng)為

(4.3.4)若將角內(nèi)傳播的入射(發(fā)散)光束分解為若干不同方向的平面波(即不同的波矢ki)，對于光束的每個特定方向的分量在dj范圍內(nèi)就有一個適當(dāng)頻率和波矢的聲波可以滿足布拉格條件。而聲波束因受信號的調(diào)制同時包含許多中心頻率的聲載波的傅里葉頻譜分量。因此，對每個聲頻率，具有許多波矢方向不同的聲波分量都能引起光波的衍射。于是，相應(yīng)于每一確定角度的入射光，就有一束發(fā)散角為2dj的衍射光，如圖4-16所示。圖4-16具有波束發(fā)散的布拉格衍射而每一衍射方向?qū)?yīng)不同的頻移，故為了恢復(fù)衍射光束的強度調(diào)制，必須使不同頻移的衍射光分量在平方律探測器中混頻。因此，要求兩束最邊界的衍射光(如圖4-16中的OA′和OB′)有一定的重疊，這就要求dj≈dqi，若取dj≈dqi=，則由2.3節(jié)的知識可得到調(diào)制帶寬為

(4.3.5)式(4.3.5)表明，聲光調(diào)制器的帶寬與聲波穿過光束的渡越時間(w0/vs)成反比，即與光束直徑成反比，用寬度小的光束可得到大的調(diào)制帶寬。但是光束發(fā)散角不能太大，否則，0級和1級衍射光束將有部分重疊，會降低調(diào)制器的效果。因此，一般要求dqi<dj，于是可得

(4.3.6)4.3.3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。根據(jù)聲光晶體的相關(guān)知識，要得到100%的調(diào)制所需要的聲強度為

(4.3.7)

若要表示所需的聲功率，則為

(4.3.8)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小)。然而，長度L的增大雖然對提高衍射效率有利，但會導(dǎo)致調(diào)制帶寬的減小(因為聲束發(fā)散角dj與L成反比，dj值小意味著小的調(diào)制帶寬)。令

帶寬可寫成

(4.3.9)由式(4.3.9)解出L，并應(yīng)用聲光晶體的相關(guān)知識可得

(4.3.10)

式中，f0為聲中心頻率(f0=vs/λs)。引入因子

M1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。4.3.4聲束和光束的匹配

一般的光束發(fā)散角Δθi=4λ/πd0，d0為聚焦在聲光介質(zhì)中的高斯光束腰部直徑，超聲波束發(fā)散角Δj=λs/L，L為換能器長度，于是得到比值

(4.3.11)

實驗證明，調(diào)制器在α=1.5時性能最好。此外，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，調(diào)制器還必須采用嚴(yán)格分離條件，即要求衍射光中心和0級光中心之間的夾角大于2Dj，即大于8λ/(πd0)。由于衍射光和0級光之間的夾角(即偏轉(zhuǎn)角)等于因此可分離條件為

(4.3.12)因為fs=vs/λs，上式亦可寫成

(4.3.13)

把式(4.3.13)代入式(4.3.12)，得

(4.3.14)當(dāng)調(diào)制器最佳性能條件α=1.5滿足時，則

(4.3.15)

由此確定換能器的長度L0，在利用式(4.3.12)可求得聚焦在聲光介質(zhì)中激光束的腰部直徑為

(4.3.16)

這樣就可以選擇合適的聚焦透鏡焦距。4.3.5聲光波導(dǎo)調(diào)制器

這里我們將討論聲光布拉格衍射型波導(dǎo)調(diào)制器，如圖

4-17所示。

圖4-17聲光布拉格波導(dǎo)調(diào)制器當(dāng)入射光經(jīng)棱鏡(高折射率的金紅石棱鏡)耦合通過波導(dǎo)時，換能器產(chǎn)生的超聲波會引起波導(dǎo)及襯底折射率的周期變化，因而相對于在聲波波前以θb入射的波導(dǎo)光波穿過輸出棱鏡，得到與入射光束成2θb角的一級衍射光，其光強為

(4.3.17)

4.4磁光調(diào)制

磁光調(diào)制主要是應(yīng)用法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，它使一束線偏振光在外加磁場作用下的介質(zhì)中傳播時，其偏振方向發(fā)生旋轉(zhuǎn)，這個旋轉(zhuǎn)角度θ的大小與沿光束方向的磁場強度H和光在介質(zhì)中傳播的長度L之積成正比，即

(4.4.1)4.4.1磁光體調(diào)制器

磁光調(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(dá)到改變光強度等參量的目的。磁光體調(diào)制器的結(jié)構(gòu)如圖4-18所示。圖4-18磁光體調(diào)制器的結(jié)構(gòu)因此，只要用調(diào)制信號控制磁場強度的變化，就會使光的偏振面發(fā)生相應(yīng)的變化，但這里因加有恒定磁場Hdc，且與通光方向垂直，故旋轉(zhuǎn)角與Hdc成反比，于是

(4.4.2)4.4.2磁光波導(dǎo)調(diào)制器

在這里我們以磁光波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換調(diào)制器為例討論磁光波導(dǎo)調(diào)制器的原理。圖4-19為磁光波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換調(diào)制器的結(jié)構(gòu)，圓盤形的釓鎵石榴石(Gd3Gα5O12－GGG)襯底上，外延生長摻Ga、Se的釔鐵石榴石(YIG)磁性膜作為波導(dǎo)層(厚度

d＝3.5μm，折射率n＝2.12)，在磁性膜表面用光刻方法制作一條金屬蛇形線路，當(dāng)電流通過蛇形線路時，蛇形線路中某一條通道中的電流沿y軸方向，則相鄰?fù)ǖ乐械碾娏餮兀瓂軸方向，該電流可產(chǎn)生+z、－z軸方向交替變化的磁場，磁性薄膜內(nèi)便可出現(xiàn)沿+z、－z軸方向交替飽和磁化。圖4-19磁光波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換調(diào)制器蛇形磁場變化的周期(即蛇形結(jié)構(gòu)的周期)為

(4.4.3)

4.5直接調(diào)制

4.5.1半導(dǎo)體激光器(LD)的調(diào)制特性

半導(dǎo)體激光器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4-20表示出了砷鎵鋁雙異質(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。圖4-20半導(dǎo)體激光器的輸出特性半導(dǎo)體激光器有一個閾值電流It，當(dāng)驅(qū)動電流密度小于It時，激光器基本上不發(fā)光或只發(fā)出很弱的、譜線寬度很寬、方向性較差的熒光；當(dāng)驅(qū)動電流密度大于It時，則開始發(fā)射激光，此時譜線寬度、輻射方向顯著變窄，強度大幅度增加，而且隨電流的增加呈線性增長，如圖4-21所示。圖4-21半導(dǎo)體激光器的光譜特性圖4-22所示的是半導(dǎo)體激光器的調(diào)制，包括其調(diào)制原理圖以及輸出光功率與調(diào)制信號的關(guān)系曲線。圖4-22半導(dǎo)體激光器的調(diào)制4.5.2半導(dǎo)體發(fā)光二極管(LED)的調(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4-23給出了LED與LD的Pout－I特性曲線的比較。圖4-23

LED與LD的Pout－I曲線比較4.5.3半導(dǎo)體光源的模擬調(diào)制

無論是使用LD或LED作為光源，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

4-24所示。其調(diào)制線性好壞與調(diào)制深度m有關(guān)，即圖4-24模擬調(diào)制特性4.5.4半導(dǎo)體光源的數(shù)字調(diào)制

如前所述，數(shù)字調(diào)制是用二進(jìn)制數(shù)字信號“1”碼和“0”碼對光源發(fā)出的光波進(jìn)行調(diào)制的。而數(shù)字信號大都采用脈沖編碼調(diào)制，即先將連續(xù)的模擬信號通過“抽樣”變成一組調(diào)幅的脈沖序列，再經(jīng)過“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。然后，再用脈沖編碼數(shù)字信號對光源進(jìn)行強度調(diào)制，其調(diào)制特性曲線如圖4-25所示。圖4-25數(shù)字調(diào)制特性

4.6光束掃描技術(shù)

4.6.1機械掃描

機械掃描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。機械掃描方法是利于反射鏡或棱鏡等光學(xué)元件的旋轉(zhuǎn)或振動來實現(xiàn)光束掃描的。圖4-26為簡單的機械掃描裝置，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，經(jīng)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。圖4-26機械掃描裝置4.6.2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4-27所示。光束沿y軸方向入射到長度為

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

(4.6.1)圖4-27電光掃描原理圖式中,n是x=0(晶體下面)處的折射率；Δn是在厚度d上折射率的變化量,則在x=d(晶體上面)處的折射率是n+Δn。當(dāng)一平面波經(jīng)過晶體時，光波的上部(A線)和下部(B線)所“經(jīng)受”的折射率不同，通過晶體所需的時間也就不同，分別為由于通過晶體的時間不同而導(dǎo)致光線A相對于B要落后一段距離這就意味著光波到達(dá)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

則可以用折射率的線性變化代替了那么光束射出晶體后的偏轉(zhuǎn)角θ根據(jù)折射定律求得。設(shè)sinθ≈θ<<1，有

(4.6.2)圖4-28所示的是根據(jù)這種原理制成的雙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，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。圖4-28雙KDP楔形棱鏡掃描器在這種情況下，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，因電場相對于z軸反向，故B線“經(jīng)歷”的折射率為

于是上、下折射率之差(Δn=nB－nA)為n03r63Ez。將其代入式(4.6.2)，即得

(4.6.3)例如，取L=d=h=1cm,r63=10.5×10－12m/V,n0＝1.51，U＝1000V，則得θ=35×10－7rad。可見電光偏轉(zhuǎn)角是很小的，很難達(dá)到實用的要求。為了使偏轉(zhuǎn)角加大，而電壓又不至于太高，因此常將若干個KDP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4-29所示。圖4-29多級棱鏡掃描器兩端的兩塊有一個頂角為β/2，中間的幾塊頂角為β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n－Δn和n+Δn，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，即

(4.6.4)數(shù)字式電光掃描器由電光晶體和雙折射晶體組合而成，其結(jié)構(gòu)原理如圖4-30所示。圖4-30數(shù)字式電光掃描原理圖4-31所示為一個三級數(shù)字式電光掃描器，以及使入射光分離為23個掃描點的情況。光路上的短線“|”表示偏振面與紙面平行，“.”表示與紙面垂直。最后射出的光線中，“1”表示某電光晶體上加了電壓，“0”表示未加電壓。圖4-31三級數(shù)字式電光掃描器4.6.3聲光掃描

1.聲光掃描原理

從前面的聲光布拉格衍射理論分析可知，光束以θi入射，產(chǎn)生衍射極值應(yīng)滿足條件

布拉格角一般很小，可寫為

(4.6.5)故衍射光與入射光間的夾角(偏轉(zhuǎn)角)等于布拉格角θb的2倍，即

(4.6.6)

由式(4.6.4)可以看出：改變超聲波的頻率fs，就可以改變其偏轉(zhuǎn)角θ，從而達(dá)到控制光束傳播方向的目的。即超聲頻率改變Δfs引起光束偏轉(zhuǎn)角的變化為

(4.6.7)這可用圖4-32所示的聲光掃描原理及聲光波矢關(guān)系予以說明。圖4-32聲光掃描原理及聲光波矢關(guān)系

2.聲光掃描器的主要性能參量

聲光掃描器的主要性能參量有3個，即可分辨點數(shù)(它決定描器的容量N)、偏轉(zhuǎn)時間τ(其倒數(shù)決定掃描器的速度)和衍射效率ηs(它決定偏轉(zhuǎn)器的效率)。衍射效率前面已經(jīng)

討論過，下面主要討論可分辨點數(shù)、掃描速度和工作帶寬問題。

對一個聲光掃描器來說，不僅要看偏轉(zhuǎn)角Δθ的大小，還要看其可分辨點數(shù)N?？煞直纥c數(shù)N定義為偏轉(zhuǎn)角Δθ和入射光束本身發(fā)散角Δj之比，即

(4.6.8)例如，顯示或記錄用掃描器采用瑞利判據(jù)，=1.3~1.8；光存儲器用掃描器，則采用可分辨判據(jù)，R=1.8~2.5，則掃描可分辨點數(shù)為

(4.6.9)

式中，為超聲波渡越時間，記為τ，也就是掃描器的

偏轉(zhuǎn)時間。故式(4.6.9)可以寫為

(4.6.10)聲光掃描器帶寬受兩種因素的限制，即受換能器帶寬和布拉格帶寬的限制。因為當(dāng)聲頻改變時，相應(yīng)的布拉格角也要改變，其變化量為

(4.6.11)

因此要求聲束和光束具有匹配的發(fā)散角。聲光掃描器一般采用準(zhǔn)直的平行光束，其發(fā)射角很小，所以要求聲波的發(fā)散