第四章光调制技术.ppt
傅里叶光学第4章-透镜的位相调制和傅里叶变换性质课件
其中，
tl
x,
y
exp
j
k 2f
x2 y2
P
x,
y
exp
j
k 2f
x2 y2
表示透镜对入射波前的位相调制；
P x, y 表示透镜对于入射波前大小范围的限制。
2、透镜的傅里叶变换性质
✓ 回顾一下：利用透镜实现夫琅和费衍射，可以在透镜的焦平面上得到 入射场的空间频谱，即实现傅里叶变换的运算。
下面具体分析一下厚度函数(x,y)和透镜主要结构参数(构成透镜的两个球 面的曲率半径R1和R2)之间的关系。
x, y 1 x, y 2 x, y
将透镜一剖为二
x2 y2
1 R12
1
x2 y2 2R12
1
x,
y
01
R1
R12
x2 y2
01
R1
1
1
x2 y2
U f
xf , yf
Af jd
2
exp
j
k 2d
xf 2 yf 2
•T
xf d
,
yf d
对应的强度分布为
I f
xf , yf
Af d 2
2
T
xf d
,
yf d
2
2、透镜的傅里叶变换性质
总结一下：
✓ 在单色平面波照明下，无论物体位于透镜前方、后方还是紧靠透镜， 在透镜的后焦面上都可以得到物体的功率谱；对于这样的照明方式，透 镜后焦面常称为傅里叶变换平面或（空间）频谱面。
2、透镜的傅里叶变换性质
✓ 如果d=f，物体在透镜前 焦面，二次位相弯曲消失， 后焦面的光场分布是物体准 确的傅里叶变换。
✓ 如果d=0，物体在透镜前端面， 由于变换式前的二次位相因子， 使物体的频谱也产生一个位相 弯曲。
光电测试技术4-6光调制精品PPT课件
2.布拉格（Bragg)衍射 (1)各向同性介质中的正常布拉格衍射。
当声波频率较高，声光作用长度L较大，
而且光束与声波波面间以一定的角度斜入射
时，光波在介质中要穿过多个声波面，故介质具有“体光栅”的 性质。当入射光与声波面间夹角满足一定条件时，介质内各级衍 射光会相互干涉，各高级次衍射光将互相抵消，只出现0级和+l级 (或-1级)(视入射光的方向而定)衍射光，即产生布拉格衍射(类似 于闪耀光栅），如图1. 3-5所示。因此，若能合理选择参数，超声 场足够强，可使入射光能量几乎全部转移到+1级(或-1级)衍射极 值上。因而光束能量可以得到充分利用，因此，利用布拉格衍射 效应制成的声光器件可以获得较高的效率。
Laser in
(2)电—声换能器(又称超声发生器)
(3)吸声(或反射)装置(放置在超声源的对面)。
Laser out
吸声装置
(4)驱动电源 它用以产生调制电信号施 加于电—声换能器的两端电极上，驱动 声光调制器(换能器)工作。
图 1.3-11 声光调制器结构
三、磁致双折射 科顿—穆顿效应： 某些透明液体在磁场H作用下变为各向异性 性质类似于单轴晶体 光轴平行磁场
一类光学介质受到外电场作用时， 它的折射率将随着外电场变化， 介电系数和折射率都和方向有关， 在光学性质上变为各向异性。
电光效应(Induced optical effects)
外界作用 外界作用
1. 机械感应---光弹效应(Photoelasticity) 各向同性或异性材料在外力作用下可产生各向异性的变化，
Laser
Laser
in
out
吸声装置
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。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。
通信原理第四章 (樊昌信第七版)PPT课件
则接收信号为
2 1
fo(t) = K f(t - 1 ) + K f(t - 2 ) 相对时延差
F o () = K F () e j 1 + K F () e j ( 1 )
信道传输函数
H()F F o(( ))K Keejj 11((1 1 eejj ))
常数衰减因子 确定的传输时延因子 与信号频率有关的复因子
课件
精选课件
1
第4章 信道
通信原理（第7版）
樊昌信 曹丽娜 编著
精选课件
2
本章内容:
第4章 信道
信道分类
信道模型
恒参/随参信道特性对信号传输的影响
信道噪声
信道容量
定义·分类
模型·特性
影响·措施
信道噪声 信道容量
精选课件
3
概述
信道的定义与分类
n 狭义信道：
—传输媒质 有线信道 ——明线、电缆、光纤 无线信道 ——自由空间或大气层
1. 传输特性
H ()H ()ej ()
H() ~ 幅频特性
()~ 相频特性
2. 无失真传输
H()Kejtd
H() K
()td
精选课件
27
n 无失真传输（理想恒参信道）特性曲线：
恒参信道
|H()|
K
() td
td
0
H() K
幅频特性
0
0
()td
()d() d
td
相频特性
群迟延特性
精选课件
28
n 理想恒参信道的冲激响应:
恒参信道
H()Kejtd
h(t)K(ttd)
若输入信号为s(t)，则理想恒参信道的输出:
第四章 透镜的位相调制和FT变换性质
理解透镜位相因子的物理意义 可通过考察透镜对垂直入射的单位振幅平面波的 效应，来理解透镜位相因子的物理意义
U 设： l x, y 为紧贴透镜前面的平面波光场分布， U lx, y 为紧贴透镜后面的平面上的光场复 振幅分布，
二者之间有关系如下：
U lx, y U l x, y tl x, y , 或 tl x, y U lx, y U l x, y
2 1 2 2
x2 y2 D 2 x, y D 02 R2 R x y D 02 R2 1 1 2 R2
2 2 2 2
x2 y2 x2 y2 Dx, y D 0 R1 1 1 2 R2 1 1 2 R1 R2 其中： D 0 D 01 D 02
在傍轴近似条件下： 考虑在透镜轴附近的那部分波前，即(x2+y2) 值足够小，则下列近似式成立。
x2 y2 x2 y2 1 1 2 R1 2 R12 x2 y2 x2 y2 1 1 2 R2 2 R22
上式相当于用抛物面来近似透镜傍轴区域的球面。 厚度函 数变成
x2 y2 x2 y2 R2 1 1 Dx, y D 0 R1 1 1 2 2 2 R1 2 R2 x2 y2 1 1 D0 2 R1 R2
A I f x f , y f f yy f dxdy
T0 u , v
2
2
二、 物体位于透镜之前
At0 x0 , y0 U l x, y U l x, y
1 P x, y 0 透镜孔径内 其他
第四章激光的基本技术
第4章激光的基本技术激光器发明以来各种新型激光器一直是研究的重点。
为将激光器发出的高亮度、高相干性、方向性好的辐射转化为可供实用的光能，激光技术也得到了极大的发展。
这些技术可以改变激光辐射的特性，以满足各种实际应用的需要。
其中有的技术直接对激光器谐振腔的输出特性产生作用，如选模技术、稳频技术、调Q技术和锁模技术等；有的则独立应用于谐振腔外，如光束变换技术、调制技术和偏转技术等。
在使用激光作为光源时，这些技术必不可少，至少要使用其中一项，常常是诸项并用。
本章讨论激光工程中一些主要的单元技术。
因为激光技术涉及的内容十分广泛，这里只给出基本概念和基本方法。
4.1激光器输出的选模激光器输出的选模技术就是激光器选频技术。
前几章中已经讨论过激光谐振腔的谐振频率。
大多数激光器为了得到较大的输出能量使用较长的激光谐振腔，这就使得激光器的输出TEM模)与高阶模相比，具有亮度高、发散角小、径向光强分布是多模的。
然而，基横模(00均匀、振荡频率单一等特点，具有最佳的时间和空间相干性。
因此，单一基横模运转的激光器是一种理想的相干光源，对于激光干涉计量、激光测距、激光加工、光谱分析、全息摄影和激光在信息技术中的应用等都十分重要。
为了满足这些使用要求，必须采用种种限制激光振荡模的措施，抑制多模激光器中大多数谐振频率的工作，利用所谓模式选择技术，获得单模单频激光输出。
激光器输出的选模（选频）技术分为两个部分，一部分是对于激光纵模的选取，另一部分是对激光横模的选取。
前者对激光的输出频率影响较大，能够大大提高激光的相干性，常常也叫做激光的选频技术；而后者主要影响激光输出的光强均匀性，提高激光的亮度，一般称为选模技术。
4.1.1 激光单纵模的选取1．均匀增宽型谱线的纵模竞争前面已经指出，对于均匀增宽型的介质来说，每个发光粒子对形成整个光谱线型都有相同的贡献。
当强度很大的光通过均匀增宽型增益介质时，由于受激辐射，使粒子数密度反转分布值下降，于是光增益系数也相应下降，但是光谱的线型并不会改变。
SVPWM,PWM调制技术
第四章 PWM 调制技术4.1 PWM 控制技术分类PWM 控制技术：即利用功率器件不断的关断和开通把直流电压转变成某一形状的电压脉冲序列，以实现变压、变频并能有效地控制和消除谐波的一门技术。
由于我们使用的电机反电动势为正弦波，因此我们不再考虑120度直流方波控制，而考虑正弦波控制技术，目前光正弦控制技术就有，电压型正弦，电流型正弦，磁通型正弦。
这三种的控制技术的比较依次有控制效率优->转矩脉动小->消除噪声。
性能指标：1、电流谐波：影响电机的铜损；()22211/1I Lcu n n h I THD P n U U I I THD ∝==∑∞=(4-l)2、最大调制率：调制信号峰值U1m 与三角载波信号峰值之比，体现直流母线电压的利用率；tmmU U m 1=1~0:m (4-2)3、谐波转矩：由谐波电流引起；NAVT T T T -=∆max (4-3)4、开关频率和开关损耗；开关频率增加—>谐波电流减小—>系统性能改善—>开关损耗增大，干扰增加。
4.2 PWM 波形调制原理关于120度直流方波调制原理，可参考文献[2] 第238页的矩形波控制部分，还可以参考文献[7]-[10] ，理解它们对加深理解正弦波控制会更容易些，因本论文重点在正弦波控制，因此这里不作累述，只针对其它类型更先进的调制方式进行介绍。
所谓100%调制指的是PWM 可以达到100%的调制，也就是全周期导通，而50%调制指的是半周期导通。
如以正弦电压调制为例，在波峰时全导通就是100%调制率，在波峰时半周期导通就是50%调制率。
为直观的理解参考图4.1PWM 波形调制原理。
图4.1 PWM 波形调制原理关于调制率因为涉及到最大电压的利用率问题，所以这里给出两个不同调制率下对比波形，三角波为载波，三角波下面的波形为PWM 调制波。
4.3 电压正弦PWM 调制技术正弦波形的数学函数为：)sin()(t m t F ω=(4-4)相电压和线电压均为正弦波PWM ，参考图4.2； 最大输出线电压小于最大输入线电压max out V ；in out V V 23max .=(4-5)图4.2 电压正弦调制波4.4 鞍形PWM 调制技术（准优化PWM 技术）鞍形调制波的数学函数为：)3sin 61(sin 32)(t t mt F ωω+=(4-6)相电压为畸形波，线电压为PWM 正弦波，波形好，参考图4.3； 最大输出线电压等于最大输入线电压max out V ；图4.3 鞍形PWM 调制波4.5电流正弦PWM 调制技术电机的控制特性：转矩或者电流的闭环控制质量好，良好的动态响应，平稳的低速运行。
第四章-自相位调制
∂U 1 ∂ 2U i = sgn( β 2 ) − N 2 e −αz | U | 2 U ∂ξ 2 ∂τ 2
LD γP0T02 N = = L NL | β2 |
2
ξ = z LD 归一化距离
τ = T T0
归一化时间
说明： 说明： (1)N决定着在脉冲演化过程中究竟是 决定着在脉冲演化过程中究竟是SPM还是 还是GVD效应起主要作用。当 效应起主要作用。 决定着在脉冲演化过程中究竟是 还是 效应起主要作用 N<<1时，色散起主要作用；而当 起主要作用； 时 色散起主要作用；而当N>>1时，则SPM起主要作用；当N≈1时， 时 起主要作用 时 GVD和SPM起同样重要的作用。 起同样重要的作用。 和 起同样重要的作用 是正值（ (2)sgn(β2)=±１取决于 ± 取决于GVD是正值（β2>0）还是负值（β2<0）。 是正值 ）还是负值（ ）。 (3)可以用分步傅里叶方法数值求解此方程。 可以用分步傅里叶方法数值求解此方程。 可以用分步傅里叶方法数值求解此方程
sgn?2??z?u2?ue2i?2?uu?z2l??ldnl在0的极限条件下变为光纤损耗系数2?uie??z2?uu?zlnll??p?1非线性长度nl0用uvi?exp?做代换并令方程两边的实部和虚部分别相等有nl?v??nle??z20v?z?zlnl由于振幅v不沿光纤长度l变化直接对相位方程进行解析积分可以得到通解为ultu0texpi?ltnlleff1??exp??l??ltu0t2ll无损耗时llnleffnleff?关于非线性相移的分析
∂U sgn( β 2 ) ∂ 2U e −αz i = − | U |2 U ∂z 2 LD ∂τ 2 L NL
=0的极限条件下变为 在β2=0的极限条件下变为 光纤损耗系数
光电子学完整PPT课件
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未来是光通信的世界。
第一章 光波与电磁波
➢麦克斯韦方程组的积分形式 ➢高斯定理 斯托克斯定律 ➢麦克斯韦方程组的微分形式 ➢边界条件 ➢电磁波的性质 ➢电磁波谱
.
麦克斯韦方程组及其物理意义
E和H幅度成比例、复角相等
0E0 0H0
E H
电磁波的传播速度
v 1 k 00
C
1
00
3108.m/ s
介质中 真空中
为什么说光波是电磁波?
1) 根据麦氏方程推导, 电磁波在真空中的速度为
c 1 3.107 140 8ms
00
当时通过实验测得的真空中的光速也为 3108 m s
2) 根据麦氏方程: 电磁波在介质中的速度为
玻尔频率条件： h En Em 或 En Em
h
式中h为普郎克常数：
h 6 .6 2 1 3 0 J 4s
.
激光的基本原理、特性和应用 ——玻尔假说
原子能级
原子从高能级向低能 级跃迁时，相当于光 的发射过程；而从低 能级向高能级跃迁时， 相当于光的吸收过程； 两个相反的过程都满 足玻尔条件。
（对于非铁磁质）
v c
根据光学中折射率的定义，则
.
v c
nc vc vn
为什么说光波是电磁波?
如果光波是电磁波，比较上面两式：
v c 和v c
n
n
麦克斯韦 关系式
➢而当时测得的无极分子物质，按上式计算的折射率与测量的折射率 能很好的符合。 ➢当时测得的为有极分子物质，上式中的ε用光波频率时的值，则上式 就成立了。平时ε在低频电场下测量。 ➢所以麦克斯韦判定，光波是电磁波。
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则调制波的表达式为：
/ 其中 k f 称为频率比例系数 m f m称为调频系数
【相位调制】 相位调制就是载波中的相位角随调制信号的变化规律而变 化。
调相波的总相角：
则调相波的表达式为：
3、强度调制
光束强度定义为光波电场的平方，其表达式为：
于是，强度调制的光强可表示为：
仍设调制信号是单频余弦波，则：
☆以第二种办法为例：
总相位差为：
式中： 是相应于外加调制信号电压V m 的相位差 所以，透过率为：
展开后得：
输出的调制光中含有高次谐波分量，使调制光发生畸变。
高次谐波与基频波成分的比值为：
作为线性调制的判据。 故为了获得线性调制，要求调制信号不宜过大(小信号
调制)，那么输出光强调制波就是调制信号的线性复现。
波导调制器的单位带宽驱动功率比体调制器的低得多， 因而调制效率要高得多。
★调制原理
波导调制器除了通过感应折射率变化来改变光波相 位实现调制外，还可以通过波导特性，如模式转换、模 式耦合、定向耦合等特性来实现光的直接强度调制与开 关等。
总的相位延迟为：
积分结果为：
i m d 1 e i t m ( t ) ( ) e 0 i m d
高频相位延迟缩减因子
只有当
时，无缩减作用。
◆结论
光波在晶体内的渡越时间必须远小于调制信号的周期，
才能使调制效果不受影响。这意味着对于电光调制器．存
在一个最高调制频率的限制。 4、电光波导调制器 波导调制器是将具有电光特性的材料做成光波导， 调制电场加在通光波导区，由于E3＝V/d，因而可以在 很低的外加电压下获得所需的调制场强。
电光调制器的等效电路图
调制器的并联谐振回路 其最大可容许调制带宽为：
◆结论
当调制晶体的种类、尺寸、激光波长和所要求的相 位延迟确定之后，其调制功率与调制带宽成正比关系。 2）高频调制时渡越时间的影响 当调制周期与光的渡越时间可以相比拟时，光波 在晶体中各部位所受到的调制电场是不同的，相位延 迟的积累受到破坏。
强度调制等。
1、振幅调制
定义：
振幅调制就是载波的振幅随调制信号的规律而变化
的振荡，简称调幅。 载波信号： 调制信号：
调幅波为：
三角关系展开
图4-1 调幅波频谱
2、频率调制和相位调制
定义：
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，统称为角度调制。
【频率调制】
若调制信号仍为一余弦函数，则调频波的总相角为：
★特点：
纵向电光调制器具有结构简单、工作稳定、不存在自 然双折射的影响等优点。其缺点是半波电压太高，特别是
在调制频率较高时，功率损耗比较大。
★应用—激光器中的电光调Q技术
部分反射 激光工作物质
偏振片
KD*P
全反射
图1 使用电光调制器的光通信线路
◆横向电光强度调制
横向电光效应的运用可以分为三种不同形式，这里 以①沿z轴方向加电场，通光方向垂直于z轴，并与x轴 或y轴成45度夹角(晶体为45度-z切割）为例。
6、脉冲编码调制
这种调制是把模拟信号先变成电脉冲序列，进
而变成代表信号信息的二进制编码，再对光载波进
行强度调制。 要实现脉冲编码调制，必须进行三个过程：抽样、 量化和编码。
●4.2 电光调制
【基本要求】
1、基本原理；2、电光调制器的结构
1、电光强度调制
◆纵向电光调制器及其工作原理
图4-4 纵向电光强度调制
n L x x c
相应的折射率为：
13 n n 63 E x 0 n o z 2
若外加电场是：
E A sin t z m m
在晶体入射面(z=0)处的光场为：
E A t i csin c
则输出光场(z＝L处)就变为：
3、电光调制器的电学性能
1）外电路对调制带宽的限制 ★电光调制器的等效电路 作用到晶体上的实际电压为：
第4章光束的调制和扫描
●4.1 光束调制原理
●4.2 直接调制
●4.3 光束扫描技术
●4.1 光束调制原理
【调制】 光波的电场强度为:
如果能够应用某种物理方法改变光波的这些振幅、频
率、相位、强度等参量之一，使其按照调制信号的规律 变化，就称激光束就受到了信号的调制，即达到“运载”
信息的目的。
光束调制按其调制的性质可分为调幅、调频、调相及
x, z 方向上的两偏振光在出射后的相位差为：
KDP晶体横向电光调制的主要缺点是存在自然双折射
引起的相位延迟。结果是晶体的折射率差随温度而变化。
从而导致调制光发生畸变。
★常用的补偿方法有两种：
1）是将两块尺寸、性能完全相同的晶体的光轴互成
90度串联排列，即一块晶体的y‘和z轴分别与另一 块晶体的z和y'平行；
于是，通过两块晶体之后的总相位差为：
横向电光调制的特点：
优点：横向半波电压是纵向半波电压的d/L倍。减小 d，增家长度L可以降低半波电压。 缺点：结构复杂，而且其尺寸加工要求极高。所以， 对KDP晶体而言，一般不用横向电光调制。
2、电光相位调制
图2 电光相位调制原理图
电场不改变出射光的偏振状态，仅改变其相位，相位的 变化量为：
1）即进入晶体后z=0处的两个分量：
因此入射光强度为：
2）当光通过长度为L的晶体之后
由于电光效应两分量间产生一定的相位差。
3）通过检偏器后的总电场强度：
与之相应的输出光强为：
于是得到调制器的透过率：
图4-5 电光调制特性曲线
为了获得线性调制，可以通过引入V / 2 偏压 二、光路上插入一 / 2波片
由于调频和调相写成统一的形式：
按三角公式展开．并应用：
得到：
由此可见，在单频余弦波调制时，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组 成。
4、脉冲调制
脉冲调制和数字式调制(脉冲编码调制)在一种不连续
状态下进行的调制。
脉冲调制是用间歇的周期性脉冲序列作为载波，并使 载波的某一参量按调制信号规律变化的调制方法。
2）另一种方法是，两块晶体的z轴和y‘轴互相反向平
行排列，中间放置半波片。
★补偿原理 1）当它们经过第一块晶体之后，两束光：即x’方 向偏振的和z方向偏振光的相位差为：
2）经过半波片后，两束光的偏振方向各旋转90度， 经过第二块晶体后，原来的e1光变成了o2光o1光 变成e2光，则它们经过第二块晶体后，其相位差：