各种调制器

电信号转化为变化的超声场，当光波通过
声光介质时，由于声光作用，使光载波受
到调制而成为“携带”信息的强度调制波。
① 喇曼——纳斯型声光调制器
调制器的工作原理如图1(a) 所示，工作声 源频率低于 10MHz。只限于低频工作， 带宽较小。
入射光 衍射光
调制信号
图1
喇曼——纳斯型声光调制器
② 布拉格型声光调制器
• 喇曼——纳斯衍射的特点 ：由出射波 阵面上各子波源发出的次波将发生相干 作用，形成与入射方向对称分布的多级 衍射光且光强对称分布，只适合振幅较
大的低频弹性波的情况。其衍射效率较
低，调制带宽有限。
各级衍射的方位角为（最大值的位置） ：
ks sin m m m ki s (m 0, 1, 2,)
• 优点： （1）提高了系统的灵敏度 （2）同一光通路中实现多个信息的 传输。 例如：应用广泛的用光纤实现的光 通讯。
3. 其它参数的调制 光束传播的方向
用 偏振面的方向 等来传送有用的信号。
如：光通过旋光性物质（如糖溶液）时， 偏振面的转角：ΔΦ=α l c α—旋光率；l—光在溶液中的路程； c—溶液的浓度
在实际应用中有着广阔的前景。
（2）泡克尔斯效应(一次电光效应)
P1 K
K P2
单轴晶体
P 1 P 2
电光晶体 · · +。 。
泡克尔斯盒
透明电极K和K′ 光沿光轴方向传播 电场与光传播方向平行
• 不加电场→ P2 不透光 • 加电场→晶体变双轴晶体 →原光轴方向附加了双折射效应 →P2 透光
3 相位差： Δ p 2 π no rU
通过控制外加电压，可调节输出的光脉冲 的长短和频率，把电讯号转变成光讯号。
由于光电效应几乎没有惯性，电讯号
的控制速度可达10-9 m/s。“光开关”、 “光调制器”、“光断续器”有极快的 速度启闭光路或调制光强，
目前广泛应用于高速摄影、电影、电视和
激光通讯等许多领域。
• 在电场、磁场中，对材料光学性质的研究，
由于折射率改变与电场强度是平方 关系故克尔效应也叫二次电光效应。
kU Δ k ne no l 2π l 。 相位差为： d 2π
2
当 Δk π 克尔盒相当于半波片
此时对应的电压U 叫半波电压，P2透光最强。
M
c +
I0 2
N
• •
I0
-
c'
若去掉盒内电场，则没有光从N透出。 整个系统起“光开关”的作用。
当光波通过此介质时，就会产生光的衍
射。其衍射光的强度、频率、方向等
都随着超声场的变化而变化。
（1）喇曼——纳斯衍射
产生喇曼-纳斯衍射的条件：当超声波频率 较低，光波平行于声波面入射，声光互
作用长度L较短即
L《λ2s/2πλ 时，
在光波通过介质的时间内，折射率的变 化可以忽略不计，则声光介质可近似看 作为相对静止的“平面相位栅”。
（2）旋转光闸：利用遮光等实现对光 的幅度调制
圆盘上有不同形状的通光孔——由电机 （载有信号）带着转动——投向圆盘 的光被调制盘交替遮挡（光闸）—— 光被调制。 • 通光孔和调制盘照明光的不同形状： 谐波、方波、锯齿波等
应用：① 对辐射光源的直流光通量进行 调制；② 交替双光束分光测量。
（3）压电型调制器
应力→各向异性 → v 各向不同 → n 各向不同
F 在一定应力范围内：ne no k S
F 各处 不同→各处 不同→出现干涉条纹 S F 变→ 变→干涉情况变 S
k d 2π F Δ ne no π π S 2 πd
2.电致双折射(电光效应)
性质类似于单轴晶体 光轴平行磁场
C
ne no H
二次效应
2
H
磁场很强
才能观察到
法拉第磁光效应 法拉第效应： 线偏振光透过放置磁场
中的物质，沿着磁场方向传播时，光
的偏振面发生旋转的现象。
磁光调制主要是应用法拉第旋转效应，把磁光 介质放到磁场中，当光线平行于磁场方向通过 介质时，入射的平面偏振光的偏振方向就会发 生旋转，其旋转角为
压电调制器（反压电性质）——称为电致 伸缩晶体或压电晶体：在外电场的作用
下，器件边缘发生宏观位移——纵向位
移、横向切变。
• 应用：激光器谐振腔长的调整 • 激光振荡的频率稳定
（二）光控调制器
人为地造成各向异性的晶体而产生双折射
1.应力双折射(光弹效应)
P1
· ·
d

S
F
P2
C
有机玻璃 F 干涉
光 弹 效 应
θ=V L H cosα
式中V：费尔德系数，V 是与物质性质、光的频 率、温度有关的常数。 • H ：沿光束传播方向的磁场强度， • L：光在介质中的传播长度。
α：光线与磁场的夹角。
光隔离器
单向闸门
P1
电极
P2
45º
光
隔
离
器
为了避免各界面的反射光对激光光源产生干 扰,可利用法拉第效应制成光隔离器,只允许光 从一个方向通过而不能从反方向通过
（1）克尔效应(二次电光效应)
45 P1
+
45
P2 d
克尔盒
l
盒内充某种液体
如硝基苯（C6H5NO2）
• 不加电场→液体各向同性→P2不透光 • 加电场→液体呈单轴晶体性质 光轴平行电场强度方向 P2透光
折射率改变与电场强度的关系是:
2 U ne no kE 2 k 2 d
k — 克尔常数 U — 电压
光束与声波波面间以一定的角度斜入射， 介质具有“体光栅”的性质。
• 布拉格衍射的特点：衍射光各高级次 衍射光将互相抵消，只出现0级和+1级
（或1级）衍射光且光强分布不对称，
适合振幅较小的高频弹性波的情况。 其衍射效率高，调制带宽较宽。应用
较多。
• 衍射效率为：
L I1 2 s sin Ii 2 L M 2 Ps H
I1 s I i
• M2为声光材料的品质因数，Ps超声功率；H为
换能器的宽度，L为换能器的长度。同样的改变
超声功率，也可以达到改变一级衍射光的强度。
(3)声光调制器的工作原理 声光调制是利用声光效应将信息加载于
光频载波上的一种物理过程。
• 调制信号是以电信号(调辐)形式作用
于电-声换能器上，电-声换能器将相应的
三、调制器
有：机电、电控、辐射源、电子调制 器（不讲）等调制器
（一）机电调制器
1. 种类：机电振子、旋转光闸、压电 型调制器等 2. 作用：利用遮光或改变透过率等实 现对光通量的幅度调制、二次调制
（1）机电振子：利用遮光等实现对光 的幅度调制
交变电场（载有信号）——衔铁在磁场 中振动——遮挡光源——光敏元件的 光通量（随信息电场变化）被调制
入射光
衍射光
调制信号
Hale Waihona Puke 图2声光调制器布拉格型
布拉格声光调制特性曲线与电光强度调制相
似，如图3所示。由图可以看出：衍射效率
s与超声功率Ps是非线性调制曲线形式，为
了使调制波不发生畸变，则需要加超声偏
置，使其工作在线性较好的区域。

Id(fm) t
0 Ps
fm(Is)
• 图3
声光调制特性曲线
在声功率Ps(或声强Is)较小的情况下，衍射效率s
4. 声光效应
声波是一种弹性波(纵向应力波)，在 介质中传播时，它使介质产生相应的弹性
形变，从而激起介质中各质点沿声波的传
播方向振动，引起介质的密度呈疏密相间
的交替变化，因此，介质的折射率也随着
发生相应的周期性变化。
超声场作用的这部分如同一个光学的 “相位光栅”，该光栅间距(光栅常数) 等于声波波长s。
r — 电光常数
no— o光在晶体中的折射率 U —电压
Δ p π 时
P2 透光最强
常用的电光晶体是 KH2PO4（KDP） NH4H2PO4（ADP）等 应用：超高速开关（响应时间小于10-9s） 激光调Q 显示技术 数据处理„
3.磁致双折射——磁光调制
科顿—穆顿效应：二次磁光效应
某些透明液体在磁场H 作用下，变为各向异性
各级衍射光的强度为：
I m J (v),
2 m
v (n)ki L
2

nL
衍射效率为：
I1 2 1 2 s sin ( nL) Ii 2
I1 s I i
（2）布拉格衍射 • 产生布拉格衍射条件：声波频率较高，声
光作用长度L较大即
L》λ2s/2πλ ，
CH 9-2
时变光信号的调制检测（2）
2. 脉冲调制(见新书P337/旧书P193）
（1）脉冲幅度调制：脉冲的幅度随信 号变。 （2）脉冲频率调制：脉冲的频率随信 号变。 （3）脉冲宽度调制：脉冲的宽度随信 号变。 （4）脉冲相位调制：脉冲的相位随 信号变。
3.编码调制
将连续的模拟信号通过“采样”变成 一组调幅的脉冲序列，再经过“量化”和 “编码”过程，形成一组等幅、等宽的矩 形脉冲作为“码元”，结果将连续的模拟 信号变成了脉冲编码数字（二进制数字信 号），即为脉冲编码调制（PCM）。 采样原理：若要采到原信号，则采样频率要 比所传输的信号的最高频率大两倍以上。
随声强度Is单调地增加(近似呈线性关系)：
s
L
2 2
2 2
2 cos B
M2Is
式中的因子是考虑了布拉格角对声光作用的影响。 由此可见，若对声强加以调制，衍射光强也就受 到了调制。布喇格衍射由于效率高，且调制带宽 较宽，故多被采用。