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1、光电信号检测,第八章 光辐射的调制,光辐射调制概述,既然光束具有振幅、频率、相位、强度和偏振等参量，如果能够应用某种物理方法改变光波的这些参量之一，使其按照调制信号的规律变化，那么该光束就受到了信号的调制，达到“运载”信息的目的。 需要指出的是，由于光电探测器仅响应于光功率(辐射通量)，所以各种光波参数的调制最终均需转化为光功率的变化。,要用光束作为信息的载体，就必须解决如何将信息加到光束上去的问题。这种将信息加载于光束上的过程称为光调制，完成这一过程的装置称为光调制器，光束称为载波，起控制作用的低频信息称为调制信号。,光波的电场强度可以表示为：,光辐射调制定义：改变光波振幅、强度、相位、频率
2、或偏振等参数，使之携带信息的过程。,目的：对所需处理的信号或被传输的信息做某种形式的变换、使之便于处理、传输和检测。,光调制的分类：内调制、外调制,内调制：将待传输信号直接加载于光源，以改变光源的输出特性来实现调制。 实例：半导体激光器电源 激光器谐振腔,外调制：在光源外的光路上放置调制器，将待传输信号加载于调制器上，来实现调制。,解调：从已调制信号中恢复原始信号的过程，调制的逆过程。,调制的作用：使光信号携带信息、抑制背景干扰、抑制系统固有噪声和外部电磁干扰。,81 光辐射调制的基本原理,调制的形式：模拟调制、脉冲调制、数字调制。,模拟调制：信息信号连续改变载波的强度、频率、相位或偏振（载波
3、是模拟信号）。 特点：信息信号的幅度与波参数的幅度之间一一对应。 模拟调制形式：调幅（AM）、调频（FM）、调相 （PM）。,模拟调制的原理,强度调制：,振幅调制：,频率调制：,脉冲调制,载波：对信息信号的幅度按一定规律间隔取样，用脉冲序列作载波（载波是脉冲序列） 。 方法：脉冲的幅度、宽度、频率或位置随信息信号的幅度变化。 分类：脉冲调幅（PAM）、脉冲调宽（PWM）、脉冲调频（PFM）、脉冲调位（PPM）。,脉冲调制,脉冲幅度调制,脉冲宽度调制,脉冲频率调制,脉冲位置调制,数字调制,方式：把信息以编码形式转变位脉冲序列 特点：脉冲在时间上固定，幅度被量化 优点：,效率高、失真小； 抑制噪声
4、能力强、精度高； 系统易于实现。,调制盘是光强度调制器的一种。,82 调制盘,制作方法：光刻（精密） 表面刻划（粗线条）,作用：把恒定的光辐射通量变成周期性重复的光辐射通量。,调制盘的光刻制作方法,调制盘的扫描方式： 旋转式调制盘绕光轴转动 圆锥扫描式调制盘不动，光学系统像点作圆周运动 圆周平移式调制盘绕光轴作圆周平移扫描,光点扫描式调幅调制盘,旋转调频调制盘,莫尔（Moire）一词在法文中的原意是表示水波纹或波状花纹。当薄的两层丝绸重叠在一起并作相对运动时，则形成一种漂动的水波型花纹，当时就将这种有趣的图案叫做莫尔条纹。 任何两组（或多组）有一定排列规律的几何线族的叠合，均能产生按新规律分布
5、的莫尔条纹图案。 1874年英国物理学家瑞利首次将莫尔条纹作为一种测量手段，根据条纹形态来评价光栅尺各线纹间的间隔均匀性，从而开创了莫尔测试技术。随着光刻技术和光电子技术水平的提高，莫尔技术获得较快发展，在位移测试、数字控制、伺服跟踪、运动比较等方面有广泛的应用。 莫尔条纹现象已成为一种精确的检测手段，应用于光电测量技术中。 在莫尔测试技术中，通常利用两块光栅（称做光栅付）或光栅的两个像的重叠产生莫尔条纹，以获取各种被测量的信息。,83 莫尔条纹,播放中,1. 圆弧莫尔条纹,单击准备演示,播放动画,莫尔条纹举例,2. 光闸莫尔条纹,播放动画,播放中,莫尔条纹举例,单击准备演示,3. 辐射形莫尔
6、条纹,播放动画,莫尔条纹举例,4. 长光栅莫尔条纹,播放动画,莫尔条纹举例,5. 长光栅光闸莫尔条纹,播放动画,莫尔条纹举例,莫尔条纹的调制作用,从上面的例子可以看到： 在光栅后的某一点的光通量随光栅的移动作明暗交替变化，即莫尔条纹把光栅位移信息转换成光强度变化的信号，从而实现了对光辐射的调制。,P 计量光栅精密测量中的测量元件 P 衍射光栅光谱仪器中的分光元件 P 亚波长光栅增透、偏振元件 按制作方法分类：刻划光栅、复制光栅 材料：玻璃光栅、金属光栅 表面结构：黑白光栅、相位光栅,计量光栅,复制技术,基底,压模,印章,紫外光,复制元件,曝光,印章,复制元件,分离,印章,基底,印章,SURPH
7、EXTM,（a）,（d）,（c）,（b）,干性光聚合物紫外成型压模技术,计量光栅莫尔条纹的形式,横向莫尔条纹：P1P2 ，夹角较小 纵向莫尔条纹：P1P2 ，P1与P2接近， 0 斜向莫尔条纹：P1P2 ，P1与P2接近， 0,莫尔条纹的几何特征,条纹宽度 （一般很小） 光栅移动P，条纹移动B， PB， 莫尔条纹具有放大作用， 放大倍数,莫尔条纹的测量,莫尔条纹的移动量： N： 移动过检测点的莫尔条纹的整数部分 BY：莫尔条纹宽度 q ： 莫尔条纹的小数部分 光栅的移动量,84 声光调制,概念： 弹光效应：当一块各向同性的透明介质受外力作用时，介质的折射率会发生变化。,声光效应：声波是一种机械
8、应力弹性波，当超声波作用于介质时，也会引起弹光效应。通常把超声波引起的弹光效应称为声光效应。,声光栅：当超声波在声光介质中传播时，介质密度呈疏密的交替变化，这会导致折射率大小的交替变化。这样，可以把超声波作用下的介质等效为一块“相位光栅”，即声光栅。光栅的条纹间隔等于超声波的波长s。 声光衍射：声光栅与光学条纹光栅相似，当入射光束通过该介质时，则入射光波被声光栅衍射。衍射光束的强度、频率和方向等都随着超声场的变化而变化。,声光衍射的分类,Q10 时， 布拉格衍射 1Q10 时， 两种衍射的混合特性,Ks： 超声波的波矢模 K： 光的波矢模 LSO：声与光相互作用长度(声束的宽度),按照超声波频
9、率的高低以及声作用区的长度（声束的宽度）拉曼-奈斯衍射、布拉格衍射,拉曼奈斯衍射,1 级衍射光 （f0fs）,0 级衍射光 （f0）,换能器,吸声介质,激光器,1 级衍射光 （f0fs）,入射光 （f0）,a,产生条件： 1)当超声波频率较低， 2)声光作用长度较短， 3)光线垂直于声场传播方向入射。 在这种情况下，超声光栅的作用与普通的平面光栅类似,特点： 多级衍射 衍射光束的极值对称分布在零极值的两侧 衍射光束的强度逐级递减,2 级衍射光 （f02fs）,2 级衍射光 （f02fs）,布拉格衍射,产生条件： 1）超声波频率较高， 2）声光作用长度较长， 3）光线与声波波面有一定角度斜入射。
10、 此时光通过介质时的衍射必须考虑介质厚度的影响，其超声光栅应视为体光栅。,特点： 衍射光束分布不对称，只出现零级和1级或1级 当声波频率足够高时，可使入射光能量全部转移到零级和1级或1级衍射极值上。,85 电光调制,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。 用来作调制元件的晶体必须按相对于光轴的一些特殊方向切割成长方形或圆柱形等形状。 当电场加在晶体上时，其折射率的变化可能产生线性效应（普克尔效应）或平方效应（克尔效应）。 加电场的方向通常有两种方式：一是电场沿着晶体主轴z轴（光轴方向），使电场方向与光线方向平行，产生纵向电光效应；二是电场沿晶体任一主轴
11、x轴或y轴或z轴加到晶体上，而取通光方向与电场方向相垂直，即产生横向电光效应。,横向电光调制器原理 线性电光效应：某些晶体的o光和e光在横向电压作用下产生的位相差与电压值成线性，可以表述为,横向电光调制器原理,86 直接调制,直接调制是把要传递的信息转变为电流信号注入半导体光源（激光二极管LD或半导体发光二极管LED），从而获得调制光信号。 由于它是在光源内部进行的，因此又称为内调制。它是目前光纤通信系统普遍采用的实用化调制方法。 根据调制信号的类型，直接调制又可以分为 模拟调制用连续的模拟信号（如电视、语音等信号）直接对光源进行光强度调制； 数字调制用脉冲编码调制的数字信号对光源进行强度调制。,直接调制特性,直接调制特性,磁光调制是利用光的Farady旋转效应。它具有所需功率低，热稳定性较其他调制器好的优点。,H: 磁场强度 L：磁光介质的通光长度 K：磁光系数（范德特常数）,