Transcript 3.1.基础知识
第3章 光辐射的调制 §3 光辐射的调制 光辐射的调制 将信息加载到光波的过程 主要内容 3.1 光辐射调制原理 3.2 电光调制 3.3 声光调制 3.4 磁光调制 3.5 直接调制 §3.1 光辐射调制原理 什么是光辐射的调制？ 改变光波的某一参量（振幅、频率、相位、强度、偏振等），使 其携带信息的技术过程 光波的电场表示 E(t ) Ac cos(ct c ) 解调 基本概念 调制的逆过程 ①调制器 从调制光中分离出信息 ②调制信号 ③载波 ④调制光 §3.1 光辐射调制原理 光辐射调制的分类 按调制器与激光器的关系 内调制： 是指加载调制信号是在激光振荡过程中 外调制： 是指激光形成之后，在激光器外的光路 • 内调制 进行的，即以调制信号去改变激光器的振荡参 上放置调制器，用调制信号改变调制器的物理特 • 外调制 数，从而改变激光输出特性以实现调制 性，当激光通过调制器时，就会使光波的某参量 按调制器的工作机理 受到调制 • 电光调制、声光调制、磁光调制、直接调制 外调制方便，且比内调的调制速率高（约一个数 按调制器的性质 量级），调制带宽要宽得多，故倍受重视 • 连续：调幅、调频、调相、强度调制 • 脉冲调制 模拟调制 §3.1.1 振幅调制 使载波的振幅随着调制信号的规律而变化 设激光载波的电场强度为 E(t ) Ac cos(ct c ) 1 如果调制信号是一个时间的余弦函数，即： a(t ) Am cosmt 其中 Am 和m 分别是调制信号的振幅和角频率 当进行激光振幅调制之后，(1)式中的激光振 幅 Ac 不再是常量，而是与调制信号成正比 §3.1.1 振幅调制 其调幅波的表达式为 A t cos t E(t ) Ac 1 ma cos m c c c 利用三角公式 m a Ac m A 调 1 2 2 cos cos cos( ) cos( ) 2 幅 得 c ma c m c ( E (t ) Ac cos(ct c ) Ac cos m c m )t 波 c 2 频 m a Ac cos(c m )t c 载频 2 分量 2 m 边频 谱 分量 式中 ma Am Ac 称为调幅系数 a c §3.1.2 频率调制和相位调制 ━━简称调频和调相 调频或调相就是光载波的频率或相位随着调制信 号的变化规律而改变的振荡 因为这两种调制波都表现为总相角 t 的变化， 因此统称为角度调制 E(t ) Ac cos(ct c ) 总相角 §3.1.2 频率调制和相位调制 对于调频 (t ) c (t ) c k f a(t ) 若调制信号仍是一个余弦函数 a(t ) Am cosmt 则调频波的总相角为 §3.1.2 频率调制和相位调制 (t ) (t )dt c c k f a (t )dt c c t k f a (t )dt c c t k f ( Am cosmt )dt c c t m f sin mt c 其中 kf k f Am mf m m 称为频率比例系数 称为调频系数 §3.1.2 频率调制和相位调制 于是得到调制波表达式 E(t ) Ac cos(ct m f sin mt c ) 同理，对于相位调制，总相角为 (t ) ct k a(t ) c ct k Am cosmt c 调相波的表达式为 与教材上的sinωmt 只有一个常数的差别 E(t ) Ac cos(ct m cosmt c ) 式中，m k Am 称为调相系数 k 称为相位比例系数 §3.1.2 频率调制和相位调制 调频波和调相波的频谱 由于调频和调相实质上最终都是调制总相角，因此 可写成统一的形式 E(t ) Ac cosct m sin c （mt） 需要展开才能清楚具体的 变化情况 利用三角公式 cos( ) cos cos sin sin §3.1.2 频率调制和相位调制 展开得 E (t ) Ac [cos(ct c ) cos(m sin mt ) sin(ct c ) sin(m sin mt )] 按贝塞尔函数展开 cos(m sin mt ) J 0 (m) 2 J 2n (m) cos(2nmt ) n1 sin(m sin mt ) 2 J 2 n 1 (m) sin(2n 1)mt n 1 需进一 步展开 §3.1.2 频率调制和相位调制 可得展开式 E (t ) Ac J 0 (m) cos(ct c ) J1 (m) cos(c m )t c J1 (m) cos(c m )t c J 2 (m) cos(c 2m )t c J 2 (m) cos(c 2m )t c Ac J 0 (m) cos(ct c ) Ac J n (m) cos(c nm )t c (1) cos(c nm )t c n1 n §3.1.2 频率调制和相位调制 可见，在单频正弦波调制时，其角度调制波的 频谱是由光载频与在它两边对称分布的无穷多 对边频所组成的。各边频之间的频率间隔是 m , 各边频幅度的大小由贝塞尔函数 J n (m) 决定 如图是m=1时的角度调制波的频谱 0.77 0.44 0.11 0.02 c m 6 m 角度调制波的频谱 mf 1 显然, 若调制信号不是单频余（正）弦波, 则 其频谱将更加复杂。 另外，当角度调制系数较小，即m<<1，时， 其频谱与调幅波有着相同的形式 §3.1.3 强度调制 光载波的强度(光强)随调制信号规律而变化 激光调制多采用强度调制形式，这是因为接收器 (探测器)一般都是直接地响应其所接收的光强度 变化 光强度定义为光波电场的平方，其表达式为 I (t ) E (t ) A cos (ct c ) 2 2 c 2 §3.1.3 强度调制 于是，强度调制的光强表达式可写为 Ac2 2 I (t ) 1 k p a (t ) cos (c t c ) 2 k p 为比例系数 仍设调制信号是单频余弦波 a(t ) Am cos( mt ) 令 k p Am mp 2 c A 2 1 m p cos mt cos (c t c ) 于是 I (t ) 2 §3.1.3 强度调制 光强调制波的频谱可用前面所述类似的方法求得，但其 结果与调幅波的频谱略有不同，其频谱分布除了载频及 对称分布的两边频之外，还有低频 m 和直流分量 §3.1.3 强度调制 几种常用的光强度调制装置 1、调制盘 最简单的调制盘，有时叫做斩波器，如图所示，在圆形板上由透明 和不透明相同的扇形区构成 当盘旋转时，通过盘的光脉冲周期性的 变化，光脉冲的形状决定于扇形尺寸和 光源在盘上的像的大小和形状 §3.1.3 强度调制 可把线光源1放于圆筒2的中 心轴上，在圆筒的表面上有 相隔等距离的狭缝3，圆筒的 前面放置缝隙光阑4，仅当圆 筒的狭缝与光阑的狭缝对准 时，有光通过光阑，而当圆 筒旋转时，可得到线状的调 制光 §3.1.3 强度调制 2、利用电磁感应的机械调制 右图所示是一种原理图 在激磁线圈中加入交变电流，则铁 芯两端产生交变磁场，在永磁铁作 用下挡片产生左右摆动，对光束进 行调整，其调制频率是激磁电流交 变频率的两倍。而其调制波形应与 激磁电流的波形和强度、光束和挡 片的相对形状和大小有关 §3.1.3 强度调制 3、受抑全反射调制器 将两块直角棱镜的斜面密合 在一起。 压电晶体带动运动棱镜上下 振动，使得两棱镜面间产生 光学接触或分离两种状态。 接触时，光束通过两棱镜而直线传播； 分离时，光束全反射转向上方。 在交变电压作用下，入射光束分解为两束相互垂直相位相反的调制光。 §3.1.4 脉冲调制 用一种间歇的周期性脉冲序列作为载波，这种载 波的某一参量按调制信号规律变化的调制方法 周期脉冲序列载波 一般是先进行电调制（模拟脉冲调制或数字脉 冲调制）, 再对光载波进行光强度调制 §3.1.4 脉冲调制 先用模拟调制信号对一电脉冲序列的某参量(幅度、宽 度、频率、位置等)进行电调制，使之按调制信号规律 变化 再用这已调电脉冲序列对光载波进行强度调制, 就可以 得到相应变化的光脉冲序列 §3.1.5 脉冲编码调制(一般了解) 一般方法 先把模拟信号变换成电脉冲序列 进而变成代表信号信息的二进制编码(PCM数字信号) 再对光载波进行强度调制来传递信息 要实现脉冲编码调制, 必须经过三个过程：抽样、 量化和编码 第3章 光辐射的调制 ——晶体光学基础 共同的基本规律 数学描述 2 E E 2 P 波动方程： E o o 2 o o 2 t t 电磁波源： 通常（线性）情况下 有外场作用（非线 性）情况下： P o E E P 1 t ：作用物理量 ：感生物理量 2 3 P o E EE EEE Po P • 𝑬 代表入射光场或其它外场； • 𝝌(𝟏) 、𝝌(𝟐) 、𝝌(𝟑) 代表材料对外场的响应； • 𝚫𝑷 代表外场作用下对传播规律的影响； • 𝑷 ~ 𝑬 关系是非线性的。 晶体光学的基本知识 晶体材料：激光晶体、半导体晶体、非线性光学晶体、调 制晶体（电光晶体、磁光晶体、弹光晶体、声光晶体） （一）、晶体结构及其对称性（简介） 晶体结构： 晶体：原子按一定规则周期性重复排列 点阵：重复排列的原子用“点”表示 晶胞：周期重复的最小基本（结构）单位 布喇菲点阵：根据空间对称性，可以有14种点阵，称布喇菲点 阵，或称14种晶胞 14种晶胞共分7个晶系：三斜、单斜、正交（斜方）、正方（四 角）、立方、三角、六角 布喇菲点阵， 如下图 晶体光学的基本知识 布喇菲点阵 立方 abc 90 三角 abc 正交（斜方） 90 120 六角 abc 90 abc 90 正方 120 三斜 abc abc 90 单斜 abc 90 晶体光学的基本知识 晶体的基本性质： 1.自限性：晶体具有自发地形成封闭的凸几何多面体的能力。晶体的外表为 （面）晶面、（线）晶棱以及（点）晶顶等要素所包围，其关系为： 晶面数 ＋ 晶顶数 ＝ 晶棱数 ＋ 2 2.均匀性和各项异性： 晶体的均匀性是指晶体在不同部位上具有相同的物理性质。 晶体的各项异性是指晶体的宏观性质因观察方向不同而有差异。 3.对称性： 晶体在几个特定方向上可以出现异向同性的现象，这种相同性质，在不同 方向上有规律地重复出现，称为对称性。 4.最小内能性： 在相同的热力学条件下，晶体的内能最小。 晶体光学的基本知识 晶体的对称操作： 对晶体实行某种适当的操作，晶体保持不变 恒等操作（E）：绕任何轴旋转0或2 角度 n次旋转（Cn）：绕某轴转n次后回到原位 如：某晶体，绕某周转120°后与原来重合，可转三 次，该轴称为3次旋转轴，n=3， n可取1，2，3，4，6 中心反演（I）：绕某个中心点，把坐标为r的点换 到 -r上 镜象反演（）：以某个面为对称面 n次旋转反演（Sn）：进行 n 次旋转后，绕旋转轴的 某个点再进行中心反演 晶体光学的基本知识 点群 一种晶体可以有多种对称操作，这些对称操作的集合称 为“群”； 各种点阵（晶体）拥有不同的对称性，因此，各种晶体 可以用“点群”来表示其结构特征； “点群”是晶体结构对称类型的一种标志方法，国际符 号，例： KDP晶体（KH2PO4） 砷化镓晶体（ GaAs ） 四角晶系，4 2m 点群 立方晶系，43m 点群 4 [001] 2 4次旋转反演轴 [010]或[100] m [110] 2次旋转轴 对称面 4 [100] 4次旋转反演轴 3 3次旋转轴 [111] m [110] 对称面 晶体光学的基本知识 （二）、晶体物理常数的张量性质及其矩阵表示法 物理量 标量：温度（T），质量（m）； 只有大小，没有方向 矢量：电场强度（E），电极化矢量（P）； 有大小，有方向 张量：什么是张量？如何表示？ 晶体光学的基本知识 张量 对于物理量，在直角坐标系中用若干分量来表示； 联系两个矢量的是一个二阶张量，二阶张量有9个分量， 可以表示成3x3的矩阵； 联系一个矢量和一个并矢或一个矢量和一个二阶张量的 是一个三阶张量，三阶张量有27个分量，缩写后可表示 成 3x6或6x3矩阵； 联系二个二阶张量或一个二阶张量和一个并矢的是四阶 张量，四阶张量有81个分量，缩写后可表示成6x6矩阵； 推广：一个标量可以看作是一个零阶张量，一个矢量可 以看作是一个一阶张量。从分量的标记方法看，标量无 下标，矢量有一个下标，二阶张量有两个下标，三阶张 量有三个下标。因此，下标的数目等于张量的阶数。 晶体光学的基本知识 例1. P （极化强度）和E （电场强度）的关系 在各向同性介质中， P和E同向 P o E 线性关系 P E ：比例常数，极化率或极化系数 在各向异性介质中，P 和 E 一般不同向 若： P P1i P2 j P3 k 有： E E1i E2 j E3 k P1 o 11 E1 12 E2 13 E3 P2 o 21 E1 22 E2 23 E3 P3 o 31 E1 32 E2 33 E3 E 的每一个分量对 P 的每一个分量都有贡献 E P 晶体光学的基本知识 P和E的关系由9个 常数，或一个物理量 的9个分 量来决定，这9个分量有规则的排列成一个3x3的矩阵 二阶张量，称为极化系数张量 P1 11 矩阵表示法 P2 o 21 P3 31 12 22 32 简化表示法 P oχ E 分量表示法 Pi o ij E j 13 E1 23 E2 33 E3 P1 o 11 E1 12 E2 13 E3 P2 o 21 E1 22 E2 23 E3 P3 o 31 E1 32 E2 33 E3 其中，i （自由脚标）= 1，2，3 j （哑脚标）= 1，2，3 哑脚标表示对它的全部可能值求和，但省去求和号不写 晶体光学的基本知识 例2. 强光情况下P和E的关系（非线性光学） P o (1) E ( 2) EE (3) EEE 其中第二项 P1 111 E1 E1 122 E2 E2 133 E3 E3 123 E2 E3 132 E3 E2 113 E1 E3 131 E3 E1 112 E1 E2 121 E2 E1 P2 211 E1 E1 222 E2 E2 P3 311 E1 E1 322 E2 E2 分量表达式 每式各9项 Pi o ijk E j Ek 其中，i, j, k = 1, 2, 3 j, k 从 1-3求和 • 两个矢量 EE 并列，可以相同，也可以不同，不是相乘，也不是 点积，两个矢量分别经过 χ ( 2) 与 P 联系，称作“并矢”； • 极化系数 χ ( 2 )有 3 x 9 = 27个分量，联系一个向量和一个并矢，是 一个三阶张量 晶体光学的基本知识 简化矩阵表示：并矢中 E j Ek 互换位置不影响结果，后 6 项两两相同 P1 11 P o 2 21 P3 31 11 o 21 31 12 22 32 12 22 32 13 23 33 13 23 33 14 24 34 14 24 34 15 25 35 15 25 35 E12 2 E 16 22 E 26 3 2E E 36 2 3 2 E1 E3 2 E E 1 2 F1 F 16 2 F 26 3 F4 36 F5 F6 简化原则： 自由脚标不动，哑脚标合并 11 22 33 1 2 3 23 32 13 31 12 21 4 5 6 F 和 E 的关系 1 F 1 jk E j Ek Ek E j 2 1 j k 其中 ij 0 j k 简化分量表达：Pi o i F 27个分量只有18个独立 版权声明 本课件根据作者多年教学经验制作。课件中 Flash 动 画和图片由课件作者从网络上搜集，原作者不详，所 有版权归原作者所有，请勿另作它用，否则责任自负， 本课件作者不承担连带责任。 由发布者设计和编写的内容采用 知识共享 署名-相同 方式共享 3.0 未本地化版本 许可协议进行许可。课件 内容会经常更新，详见作者网站上的《光电子学》课 件发布页面。