第一章电光调制与声光调制
光调制技术
光调制 技术
由此可见 1)各向异性晶体中P每一个分量都与E的三个分量存在着线 性关系，P不再与E同向； 2)坐标系确定后 ij均为常量， ij 的大小取决于晶体的结 构和三个坐标轴相对于晶格结构的选择情况。
D E 0 E P 0 (1 )E
通过坐标系的恰当选择．使得张量的非对角元素等于零
晶体的主介 电坐标系
22
0
0 0 33
0 0 33
光在晶体中的传播
在直角坐标系中
x 0 0 0
光调制 技术
考虑对称性后： 低级晶族 中级晶族
y
0
0 0 z
晶体光学基础
2.二维点阵（平面点阵）
光调制 技术
3.三维点阵（空间点阵）
晶体光学基础
晶体基本重复单元，称为晶胞。 晶胞常量： 三个棱长： a0 , b0 , c0 棱与棱之间的夹角： , , 晶体原胞的选择原则为： 1)所选择的平行六面体应该能够反映整个空间点阵的对 称性，也即平行六面体的对称性应与空间点阵的对称性一 致。 2)在不违反空间点阵对称性的条件下，平行六面体上棱 与棱之间的直角关系应力求最多。 3)在符合以上两项原则的基础上，平行六面体的体积应 最小。
光在晶体中的传播
光调制 技术
•晶体光学特性的几何表示 2 2 1 2 E k02 n12 k y k z2 Ex k x k y E y k x k z Ez 0 P 2 E 2 2 0 2 c t t 2 k y k x Ex k02 n2 k x2 k z2 E y k y k z Ez 0 j (t k r ) 2 2 E E 0e k z k x Ex k z k y E y k02 n3 k x2 k y Ez 0
声光调制
声波是一种纵向机械应力波(弹性波).若把这种应力波作用到声光介质中时会引起介质密度呈疏密周期性变化，使介质的折射率也发生相应的周期性变化，这样声光介质在超声场的作用下，就变成了一个等效的相位光栅,如果激光作用在该光栅上，就会产生衍射。
衍射光的强度、频率和方向将随超声场而变化。
激光具有极好的时间相干性和空间相干性，它与无线电波相似，易于调制，且光波的频率极高，能传递信息的容量很大；加之激光束发散角小，光能高度集中，既能传输较远距离，又易于保密，因而为光信息传递提供了一种理想的光源。
激光调制我们把欲传输的信息加载于激光副射的过程称为激光调制。
光调制分为内调制和外调制两类。
外调制是指加载调制信号在激光形成以后进行的，即调制器置于激光谐振腔外，在调制器上加调制信号电压，使调制器的某些物理特性发生相的变化，当激光通过它时即得到调制，所以外调制不是改变激光器参数,而是改变已经输出的激光的参数(强度,频率等)。
声光调制声波是一种纵向机械应力波(弹性波)。
若把这种应力波作用到声光介质中时会引起介质密度呈疏密周期性变化，使介质的折射率也发生相应的周期性变化。
这样声光介质在超声场的作用下，就变成了一个等效的相位光栅，如果激光作用在该光栅上，就会产生衍射。
衍射光的强度、频率和方向将随超声场而变化.所谓“声光调制器”就是利用这一原理而实现光束调制或偏转的。
声光调制的原理1、超声波在声光介质中的作用声波在介质中传播分为行波和驻波两种形式。
行波所形成的声光栅其栅面是在空间移动的。
介质折射率的增大和减小是交替变化的,并且以超声波的速度V向前s推进。
在声光介质中,两列相向而行的超声波(其波长,相位和振幅均相同)产生叠加，在空间将形成超声驻波。
声驻波形成的声光栅在空间是固定的,其相位变化与时间成正弦关系，合成声波方程为:a(z,t)=a1(z,t)+a2(z,t)=2Acos2πz/λs·sin2πt/Ts介质中折射率的变化如图1所示,声波在一个周期T内，介质将两次出现疏密层，且在波节处密度保持不变，因而折射率每隔半个周期(T/2)在波腹处变化一次，即由极大值变为极小值，或由极小值变为极大值，在两次变化的某一瞬间介质各部分折射率相同,相当于一个不受超声场作用的均匀介质。
电光调制
当给晶体或液体加上电场后，该晶体或液体的折射率发生变化，这种现象称为电光效应。
电光效应在工程技术和科学研究中有许多重要应用，它有很短的响应时间，可以在高速摄影中用做快门或在光速测量中用做光束斩波器等。
在激光出现以后，电光效应的研究和应用得到迅速发展，电光器件被广泛应用在激光通信、激光测距、激光显示和光学数据处理等方面。
本文提出的电光调制系统就是基于晶体的电光效应验证电光调制原理。
1 电光调制原理电光调制是利用某些晶体材料在外加电场作用下折射率发生变化的电光效应而进行工作的。
根据加在晶体上电场的方向与光束在晶体中传播的方向不同，可分为纵向调制和横向调制。
电场方向与光的传播方向平行，称为纵向电光调制；电场方向与光的传播方向垂直，称为横向电光调制。
横向电光调制的优点是半波电压低、驱动功率小，应用较为广泛。
本电光调制系统是以铌酸锂晶体的横向调制为例。
图1是一种横向电光调制的示意图。
沿z方向加电场，通光方向沿感应主轴y′方向，经起偏器后光的振动方向与z轴的夹角为45°。
光进入晶体后，将分解为沿x′和z方向振动的两个分量，两者之间的折射率之差为。
假定通光方向上晶体长度为l，厚度为d(即两极间的距离)，则外加电压为V=Ezd时，从晶体出射的两束光的相位差为：由式(1)可以看出，只要晶体和通光波长λ确定之后，相位差△φ的大小取决于外加电压V，改变外加电压V就能使相位差△φ随电压V成比例变化。
通常使用的电光晶体的主要特性之一是采用半波电压米表征(当两光波间的相位差△φ为π弧度时所需要的外加电压称为半波电压)。
2 电光调制系统总体设计基于电光调制原理设计出此电光调制系统，用以研究电场和光场相互作用的物理过程，也适用于光通信与物理的实验研究。
电光调制系统结构见图2。
2.1 工作原理激光器电源供给激光器正常工作的电压，确保激光器稳定工作。
由激光器产生的激光经起偏器后成线偏振光。
线偏振光通过电光晶体的同时，给电光晶体外加一个电压，此电压就是需要调制的信号。
电光调制原理
电光调制原理电光调制是一种利用电场调制光的强度的技术，它在光通信、光传感和光调制器件等领域有着广泛的应用。
电光调制原理是指利用外加电场对光的折射率进行调制，从而改变光的传播性质。
电光调制器件是实现电光调制原理的关键组成部分，其性能直接影响了整个系统的工作效果。
本文将从电光调制原理的基本概念、工作原理和应用领域等方面进行介绍。
电光调制原理的基本概念。
电光调制原理是利用外加电场改变介质的折射率，从而改变光的传播性质。
在电光调制器件中，通过外加电场使介质的折射率发生变化，进而改变光的相位和强度。
一般来说，电光调制器件采用的是电光效应，即在外加电场的作用下，介质的折射率会发生变化。
这种原理使得光信号能够被电信号控制，从而实现光信号的调制。
电光调制原理的工作原理。
电光调制器件一般采用的是电光效应，其中最常见的是Kerr效应和Pockels效应。
Kerr效应是指在介质中加入电场后，介质的折射率与电场的平方成正比而改变，这种效应通常用于强光的调制。
Pockels效应是指在晶体中加入电场后，晶体的折射率与电场成线性关系而改变，这种效应通常用于弱光的调制。
通过这些电光效应，可以实现对光信号的调制，从而实现光通信、光传感等应用。
电光调制原理的应用领域。
电光调制原理在光通信、光传感和光调制器件等领域有着广泛的应用。
在光通信中，电光调制器件可以实现光信号的调制和解调，从而实现光通信系统中的信号传输和处理。
在光传感中，电光调制原理可以实现对光信号的调制，从而实现对光信号的探测和测量。
在光调制器件中，电光调制原理可以实现对光信号的调制，从而实现光调制器件的功能。
总结。
电光调制原理是利用外加电场对光的折射率进行调制，从而改变光的传播性质。
电光调制器件是实现电光调制原理的关键组成部分，其性能直接影响了整个系统的工作效果。
电光调制原理在光通信、光传感和光调制器件等领域有着广泛的应用，可以实现光信号的调制和解调，光信号的探测和测量，以及光调制器件的功能。
光信息专业实验报告：光调制与光通信模拟系统实验 (2)
光信息专业实验报告：光调制与光通信模拟系统实验一、实验目的1. 学习电光调制、声光调制、磁光调制的机制及运用。
2. 了解光通信系统的结构。
二、光调制基本原理常用的光调制方式主要有电光调制、声光调制和磁光调制，分别是利用电光效应、声光效应和磁光效应来实现对光的调制的。
1. 电光调制器件工作原理光学介质的电光效应是指，当介质受到外电场作用时，其折射率将随外电场变化，介电系数和折射率都与方向有关，介质的光学特性由原来的各向同性变为各向异性。
目前已发现两种电光效应，一种是泡克耳斯（Pockels ）效应，即折射率的变化量与外电场强度的一次方成比例；另一种是克尔（Kerr ）效应，即折射率的变化量与外电场强度的二次方成比例。
利用泡克耳斯效应制成的调制器成为泡克耳斯盒，其中的光学介质为非中心对称的压电晶体。
利用克尔效应制成的调制器称为克尔盒，其中的光学介质为具有电光效应的液体有机化合物。
泡克耳斯盒有纵向调制器和横向调制器两种。
我们实验中使用的是电光晶体为DKDP （磷酸二氘钾）的纵向调制泡克耳斯盒。
不给泡克尔斯盒加电压时，盒中的介质是透明的，各向同性的非偏振光经过起偏器P 后变为振动方向平行于P 光轴的平面偏振光。
通过泡克耳斯盒时，其偏振方向不变，到达检偏器Q 时，因光的振动方向垂直于Q 光轴而被阻挡，所以Q 没有光输出；给泡克耳斯盒加电压时，由于电光效应，盒中介质将具有单轴晶体的光学特性，光轴与电场方向平行。
此时，通过泡克耳斯盒的平面偏振光的振动方向将被改变，从而产生了与Q 光轴方向平行的分量，即Q 有光输出。
Q 输出光的强弱与盒中介质的性质、几何尺寸、外加电压大小有关。
对于结构已确定的泡耳克斯盒来说，若外加电压是周期性变化的，则Q 的光输出也是周期性变化的，由此实现对光的调制。
图1 各个量的方位关系图图1表示的是几个偏振量之间的方位关系，光的传播方向平行于z 轴，M 和N 分别为起偏器P 和检偏器Q 的光轴方向，彼此垂直；α为M 与y 轴的夹角，β为N 与y 轴的夹角，2/πβα=+；外电场使克尔盒中电光介质产生的光轴方向平行于x 轴；o 光垂直于xz 平面，e 光在xz 平面内。
《声光调制》课件
3 具有可调性
声光调制器可以调节声光 耦合效应的强度和速度， 实现灵活的信号调制和控 制。
声光调制的应用
1 光纤通信
声光调制技术可以实现光纤通信中的信号调 制、解调和光放大，提高通信质量和距离。
3 光纤传感器
声光调制器可以用于光纤传感器中的信号调 制和解调，实现高灵敏度、高分辨率的传感 器探测。
2 激光雷达
声光调制器在激光雷达中可以实现激光脉冲 信号的调制和解调，提高雷达测距和探测精 度。
4 光存储技术
声光调制技术在光存储中可以实现高密度、 高速度的数据存储和读取。
声光调制的发展趋势
1 新型材料的发展
2 新型激光技术的应用 3 相关技术的集成
新型材料的不断发展将为 声光调制器的性能提升和 应用拓展提供更多可能性。
新型激光技术的应用将进 一步推动声光调制器的性 能提升和应用领域的扩大。
声光调制器将与其他光电 子技术相互集成，形成更 加高效和多功能的光学系 统。
总结
1 声光调制的优势和应用前景
声光调制技术具有快速、高分辨率和可调性等优势，在光通信、激光雷达等领域拥有广 阔的应用更先进的材料和技术支持以实现更高的性能，并克服面临的挑战和瓶颈。
声光调制
本课件将介绍声光调制的概念、原理、实现方式以及应用领域，以及声光调 制的发展趋势和未来的前景。
概述
1 声光调制的定义
声光调制是一种利用声波和光波相互作用的 技术，将声音信号调制到光波上，并通过光 波传输和控制。
2 应用领域
声光调制广泛应用于光通信、激光雷达、光 纤传感器和光存储技术等领域，为光电子技 术提供了重要支持。
声光调制原理
1 激光器的工作原理
激光器通过受激发射产生的聚集光，提供了 高亮度和相干性的光源。
光学实验二—_电光、声光和磁光调制实验指导书
电光调制实验一 实验原理电光调制实验仪作为高等院校新一代的物理实验仪器，在基础物理实验和相关专业的实验中用以研究电场和光场相互作用的物理过程，也适用于光通讯与光信息处理的实验研究。
电光调制器的调制信号频率可达 Hz 量级，因而在激光通讯、激光显示等领域中有广泛的应用。
（一）电光调制原理某些晶体在外加电场的作用下，其折射率随外加电场的改变而发生变化的现象称为电光效应，利用这一效应可以对透过介质的光束进行幅度,相位或频率的调制，构成电光调制器。
电光效应分为两种类型：（1）一级电光（泡克尔斯—Pockels ）效应，介质折射率变化正比于电场强度。
（2）二级电光（克尔—Kerr ）效应，介质折射率变化与电场强度的平方成正比。
本实验仪使用铌酸锂（LiNbO 3）晶体作电光介质，组成横向调制（外加电场与光传播方向垂直）的一级电光效应。
图1 横向电光效应示意图如图1所示，入射光方向平行于晶体光轴（Z 轴方向），在平行于X 轴的外加电场（E ）作用下，晶体的主轴X 轴和Y 轴绕Z 轴旋转45°，形成新的主轴X ’轴—Y ’轴（Z 轴不变），它们的感生折射率差为Δn ，并正比于所施加的电场强度E ：rE n n 30=∆式中r 为与晶体结构及温度有关的参量，称为电光系数。
n 0为晶体对寻常光的折射率。
当一束线偏振光从长度为l 、厚度为d 的晶体中出射时，由于晶体折射率10910~10１的差异而使光波经晶体后出射光的两振动分量会产生附加的相位差δ，它是外加电场E 的函数： U d l r n rE n nl ⎪⎭⎫ ⎝⎛==∆=3030222λπλπλπδ (1) 式中λ为入射光波的波长；同时为测量方便起见，电场强度用晶体两极面间的电压来表示，即U=Ed 。
当相差πδ=时，所加电压l d r n U U 302λπ== (2) πU 称为半波电压，它是一个可用以表征电光调制时电压对相差影响大小的重要物理量。
电光调制课件
实验步骤２
• 实验过程——判断电光调制现象 １、插入起偏器 (P)，调节起偏器的镜片架转角， 使透光轴与垂直方向约成 P＝45。 ２、插入检偏器(A)转动检偏器，使激光点消失，光 强指示接近于0，表示此时检偏器与起偏器的光轴 己处于正交状态(P A)． ３、将电光晶体插入光具座，使激光束透过，适当 调节电光晶体平台上三个调节螺丝，使反射光斑 打在激光器光源输出口附近，此时激光束基本正 射透过。调节电光晶体旋转镜片架角度，使接收 光强趋近于0(达到最小，应该在0.1以下)。此时 从示波器观察应出现倍频现象，即解调信号频率 是调制信号频率的两倍。 特别注意：在这个环节中，要保证每个光学器件加 入光路时反射点都要几乎原路返回，且不可相交。
选择不同工作点时的输出波形
IA
③ 工作点③ ② 工作点②
IA
① o
o
Uπ/2
Uπ
U
t
工作点①
t
选择工作点②(U＝U /2)时，输出波形最大且不失真。相位差在＝ /2或(U＝U /2 )附近时，光强IA与相位差(或电压U)呈线性关系，从 调制的实际意义上来说，电光调制器的工作点通常就选在该处附近。 选择工作点①(U＝0)或③ (U＝U)时，输出波形小且严重失真，同时 输出信号的频率为调制频率的两倍，即倍频现象。
2插入检偏器a转动检偏器使激光点消失光强指示接近于0表示此时检偏器与起偏器的光轴己处于正交状态p3将电光晶体插入光具座使激光束透过适当调节电光晶体平台上三个调节螺丝使反射光斑打在激光器光源输出口附近此时激光束基本正射透过
电光调制实验
Electro-optic modulation
实验目的
• 掌握晶体电光调制的原理和实验方法。 • 对电光调制原理中的有关物理量进行 定性或定量分析。
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设Ac2 I0 常数 光强的最大值 当光强受到调制时，I0不再是常数，按调制信号的规律变化 I0 I（ 0 t）时间的函数 设调制信号为a(t),则I0(t) I0 Kpa(t) Kp是比例系数
则I(t) [I0 Kpa(t)]cos2(ct c)
调制前： ec(t)A (t)co s(ct c)
A(t)AcKa(t)
调制后： a(t)A0cosmt －调制讯号
e ( t) ( A c K A 0 c o sm t) c o s (c t c )
(2)调制系数：振幅的最大增量与振幅的平均值之比。
振幅的最大值
Amax AcKA0
振幅的最小值 振幅的最大增量
调频 ：
总
相
位
： （
t）
=
t （
0
t ） d t + c
t
0 [ c k f a ( t ) ] d t c
t
c t 0 k f a ( t ) d t c
如 果 ： a (t ) A 0 c o s m t， 则
（ t ） = c t
t
0 k f A0 co s mtd t c
1)单色性好。 2) 激光发散角小 3) 具有较好的时间相干性和空间相干性
2.调制器：完成激光调制的装置 3.调制的分类
1) 内调制：在激光形成过程中，以调制信号的规律去改变激光振荡的 某一参数。即用调制信号控制着激光的形成。
2) 外调制：把调制器放在激光器的外面
优 点：调制效率高。
缺 点：
a.由于调制器放在腔内，等于增加腔内的损耗,降低了输
Ac[cos(ctc)mcosmtcos(ctc)] Accos(ctc)m 2Accos[(cm)tc]m 2Accos[(cm)tc]
调幅波含三个不同的频率 ：
第一项为调制前的激光振荡波（载频分量）
第二项激光频率和调制频率之和（边频分量）
第三项激光频率和调制频率之差 （边频分量）
2.强度调制
(1)定义:以调制信号去改变激光的光强，使光强按着调制信号 的规律变化的过程。
出功率。
G l
b. 调制器带宽受到谐振腔通带的限制
优 点： a.因为调制器和激光形成无关,不影响激光器的输出功率。 b.调制器的带宽不受谐振腔通带的限制，
缺 点：调制效率低。
三．振幅调制和强度调制
1.振幅调制（调幅） (1) 定义：以调制讯号去改变激光的振幅，使其振幅按调制讯号
的规律变化。ec(t)A ccos(ctc)
调频和调相以后使总相位(t)变化——按调制信号的规律变。因
此两者可归为一类。两者的差别是实现方法不同。
调相：调制前 e(t)=Ac cos(ct c )
调制后 e(t)=Ac cos[ct c k a(t)] Ac cos (t)
其中（t）为总相位且有
(t )
d（t） dt
假设 a(t) A0 sin mt，则 e(t)=Ac cos(ct c k A0 sin mt) Ac cos(ct c m sin mt) m k A0为比例系数（弧度）
以上面的为例:
e ( t) A c c o s (c t m fs i n m t c ) A c c o s (c t c ) c o s ( m fs i n m t) A c s i n (c t c ) s i n ( m fs i n m t)
ct
k f A0 m
sin
mt
c
ct m f sin mt c
调 频 后 的 电 场 ： e (t) Ac co s( ct m f sin mt c )
2.频谱
调频和调相以后，总相位角按调制讯号的规律变化，激光的频率是时间的函 数。根据付里叶分析，它是许多不同频率波形之和。
四．相位调制和频率调制（调相和调频)
1. 定义：以调制信号去改变激光振荡的相位（频率）， 使激光的相位（频率）按调制信号的规律变化的过程称 相位（频率）调制。
c常 数 (t) c kfa (t)
e(t)=Accos(ctc)
常 数 (t) cka (t)
调频 调相
总相位： （t）=ct
Amin AcKA0 A A m a x A c A c A m in
由 A＝KA0可得 vs400700m/s
m主要由K，A0决定，即比例系数K和调制讯号的振幅A0
对m的要求： m<1,保证调制信号在传输过程中
不畸变。 m≥1时，使调制信号失真。
m Asmt e(t)Ac(1mcosmt)cos(ctc)
考虑经过光强调制以后，不失真，则平均光强选在 I0/2 。
设 a(t)A0sinmt ，则光强调制系数为
mp II00(2光 (光 强 强 最 平 大 均 增 值 量 ))K I0pA 20
调制后的光强为：I(t)I2 0(1m psinm t)co s2(ct c)
（2）对的mp要求
▪ mp <1，比较理想的光强调制公式
▪ 要求 I2 0 1 m psin m tI0 波 形 不 失 真
在实际应用中，为了得到较强的抗干扰效果，往往利用二次 调制方式，即先将低频信号对一高频副载波进行频率调制，然 后再用这个已调频波对光载波进行强度调制，使光波按副载波 信号的变化而变化。这是因为在传输过程中，尽管大气感染波 会直接叠加到光信号波上，但经调节后，其信息是包含在调频 的副载波上，故其信息不会受到干扰，可以无失真地再现原来 的信息。
定义：利用调制讯号去改变载波的某一参数，使其参数 按调制讯号的规律发生变化的过程。
从定义看出调制的含义：
1) 调制讯号：需要调制的信息需转化为电讯号，即调制讯号
2) 载
波：为传递信息附加的载体。载波一般用无线电波，光 波等，需要频率较高，而且频率固定。。
二．激光调制
1.激光调制：利用激光作为载波进行调制的过程。
第一章 激光调制 与偏转技术
第一章 激光调制与偏转技术
❖ 以调制为重点。对偏转技术不作重点要求。 主要讲以下几个问题。
一．调制基本概念 二．强度调制和振幅调制（定义，调制方法） 三．相位调制和频率调制（定义，调制方法） 四．激光偏转技术（简单）
1.1 概述
一、调制
1.目的：通过调制进行信息的传递。 2.调制：把信息加到载波的过程即调制。