1、第三章光束的調制和掃描3.1光束調制原理要用激光作為信息的載體，就必須解決如何將信息加到激光上去的問題， 這 種將信息加載于激光的過程稱為調制，完成這一過程的裝置稱為調制器。其中激 光稱為載波，起控制作用的低頻信息稱為調制信號。光波的電場為E(t) = Ac cosct +化)(3 i-i)式中Ac為振幅，c為角頻率，c為相位角。既然光束具有振幅、頻率、相位、 強度和偏振等參量，如果能夠應用某種物理方法改變光波的這些參量之一，使其按照調制信號的規律變化，那么激光束就受到了信號的調制，到達“運載信息 的目的。實現激光束調制的方法，根據調制器與激光器的關系可以分為內調制(直接調 制)和外調制兩種。

2、內調制是指加載信號是在激光振蕩過程中進行的，以調制信號改變激光器的 振蕩參數，從而改變激光器輸出特性以實現調制。外調制是指激光形成之后，在激光器的光路上放置調制器，用調制信號改變 調制器的物理性能，當激光束通過調制器時，使光波的某個參量受到調制。光束調制按其調制的性質可分為調幅、調頻、調相及強度調制等。下面介紹 這幾種調制的概念。1振幅調制振幅調制就是載波的振幅隨調制信號的規律而變化的振蕩，簡稱調幅。假設調 制信號是一時間的余弦函數，即(3.1-2)(3.1-3)(3.1-4)a(t)二 Am cos mt調幅波的表達式為E(t)=Ac1 macos mtcos( ctJ調幅波的頻譜為E(t)

3、二 AcCOSjtc) 匹 AcCOS(匕，m)tc2AcCOSK c 一 m)tc2頻譜由三個頻率成分組成，第一項為哪一項載頻分量，第二、三項是稱為邊頻分量，如 圖1所示。上述分析是單余弦信號調制的情況。如果調制信號是一復雜的周期信 號，那么調幅波的頻譜將由載頻分量和兩個邊頻帶組成。maAc/2；.-：c ；:；mAcmaAc/2c+ ；:： m圖1調幅波頻譜2.頻率調制和相位調制調頻或調相就是光載波的頻率或相位隨著調制信號的變化規律而改變的振 蕩。因為這兩種調制波都表現為總相角'(t)的變化，因此統稱為角度調制。對頻率調制來說，就是中的角頻率c隨調制信號變化(t) = ： J n(

4、t) = ： c kfa(t)(3.1-5)那么調制波的表達式為E(t)=代 cos( ct mf sin mtc)(3.1-6)同樣，相位調制就是相位角；：c隨調制信號的變化規律而變化，那么調相波的 表達式為E(t)二代 cos( ct m sin mtc)(3.1-8)由于調頻和調相實質上最終都是調制總相角，因此可寫成統一的形式E(t)二 Ac cos(衣 ms in mtc)(3.1-9)上式按三角公式展開，并應用cos(msin mt) =J0(m) 2、 J2n(m)cos(2n mt)COsin(msin mt)二 2 J2n4(m)sin(2n -1) mtn =1得到E(t)

5、= AcJ0(m)cosctQ詈州ne (3.1-10)A Jn(m)cos( n m)tc (-1) cos( c 一 n m)t n =1可見，在單頻余弦波調制時，其角度調制波的頻譜是由光載頻與在它兩邊對 稱分布的無窮多對邊頻組成。顯然，假設調制信號不是單頻余弦波，那么其頻譜將更 為復雜。3.強度調制強度調制使光載波的強度光強隨調制信號規律變化的激光振蕩，如圖 2所 示。光束調制多采用強度調制形式，這是因為接收器一般都是直接響應其所接收 的光強。光束強度定義為光波電場的平方lt二 E2t庶 cos2吐 J(3.1-11)于是，強度調制的光強可表示為l(t)二：c 1 kpa(t)cos2(

6、ctc)(3.1-12)仍設調制信號是單頻余弦波，那么A2I (t) j1 mp cos mtcos ( ctc)(3.1-13)圖2強度調制強度調制波的頻譜可用前面所述的類似方法求得，其結果與調幅波略有不 同，其頻譜分布除了載頻及對稱分布的兩邊頻之外，還有低頻-m和直流分量以上幾種調制方式所得到的調制波都是一種連續振蕩波，統稱為模擬調制4.脈沖調制目前廣泛采用一種不連續狀態下進行調制的脈沖調制和數字式調制脈沖編碼調制。它們一般是先進行電調制，再對光載波進行光強度調制。脈沖調制是用間歇的周期性脈沖序列作為載波， 并使載波的某一參量按調制 信號規律變化的調制方法。即先用模擬調制信號對一電脈沖序列

7、的某參量 幅度、寬度、頻率、位置等)進行電調制，使之按調制信號規律變化，成為已調脈沖序 列，如圖3所示。然后再用這已調電脈沖序列對光載波進行強度調制，就可以得到相應變化的光脈沖序列。脈沖調制有脈沖幅度調制、脈沖寬度調制、脈沖頻率調制和脈沖位置調制等。(b)脈沖幅度調制(c)脈沖寬度調制(d)脈沖頻率調制(e)脈沖位置調制圖3脈沖調制形式例如用調制信號改變電脈沖序列中每一個脈沖產生的時間，那么其每個脈沖的位置與未調制時的位置有一個與調制信號成比例的位移，這種調制稱為脈位調 制，進而再對光載波進行調制，便可以得到相應的光脈位調制波，其表達式為(3.1-14)E(t)二 AcCOS( ctc)(當

8、tnd 乞 t " d )d 弓1 M(tn)5.脈沖編碼調制這種調制是把模擬信號先變成電脈沖序列，進而變成代表信號信息的二進制 編碼，再對光載波進行強度調制。要實現脈沖編碼調制，必須進行三個過程：抽 樣、量化和編碼。抽樣。抽樣就是把連續信號波分割成不連續的脈沖波，用一定的脈沖列來 表示，且脈沖列的幅度與信號波的幅度相對應。也就是說，通過抽樣，原來的模 擬信號變成一脈幅調制信號。按照抽樣定理，只要取樣頻率比所傳遞信號的最高頻率大兩倍以上，就能恢復原信號量化。量化就是把抽樣后的脈幅調制波作分級取“整處理，用有限個數 的代表值取代抽樣值的大小。經抽樣再通過量化過程變成數字信號。編碼。編碼

9、是把量化后的數字信號變換成相應的二進制碼的過程。即用一 組等幅度、等寬度的脈沖作為“碼子，用“有脈沖和“無脈沖分別表示二 進制數碼的“ 1和“ 0。再將這一系列反映數字信號規律的電脈沖加到一個調 制器上，以控制激光的輸出，由激光載波的極大值代表二進制編碼的“T,而用激光載波的零值代表“0。這種調制方式具有很強的抗干擾能力， 在數字激光通 信中得到了廣泛的應用。盡管光束調制方式不同，但其調制的工作原理都是基于電光、聲光、磁光等 各種物理效應。因此，后邊分別討論電光調制、聲光調制、磁光調制和直接調制 的原理和方法。KDP電光晶體為例討論3.2電光調制 利用電光效應可實現強度調制和相位調制。本節以

10、電光調制的根本原理和電光調制器的結構。1.電光強度調制利用縱向電光效應和橫向電光效應均可實現電光強度調制縱向電光調制器及其工作原理縱向電光強度調制起的結構如圖4所示圖4縱向電光強度調制進入晶體后被分解為沿x和y方向的兩個分量，其振幅和相位都相同，分別Ex*(°) = Acoscct或Ex<0) = Aex 卩綽)。E y *(0) = A co跆 ctEy(0) = Aex p(ct)入射光強度為*IC E E= Ex(0)2 +2 2Ey<0) =2A(3.2-1)通過長度為L的晶體之后，Ex和Ey.兩個分量之間產生了一相位差.廠，那么有 ExL =A， EyL = A

11、e，:。那么，通過檢偏器后的總電場強度是 Ex L和Ey L在y方向的投影之和，與之相應的輸出光強為*A222人®、3.2-2)(3.2-3)I嚴Ey。Ey°=百e超-1e-1 = 2A2sin2 2l 2丿調制器的透過率丁 |。. 2 町.2“ V 'T=sin | = s inIi 12 丿 U光強調制特性曲線如圖5所示。圖5電光調制特性曲線可見，在一般情況下，調制器的輸出特性與外加電壓的關系是非線性的。 假設調 制器工作在非線性區，那么調制光強將發生畸變。為了獲得線性調制，可以通過引入一個固定的-12相位延遲，使調制器的電壓偏值在T =50%的工作點上。常用的

12、方法由兩種：其一，在調制晶體上除了施加信號電壓之外， 再附加一個 V./2的固定偏壓，但此法會增加電路的復雜性，而且工作點的穩定性也差。其二， 如圖4所示，在調制器的光路上插入一 /4波片，其快慢軸與晶體的主軸x成45 角，從而使Ex和Ey兩個分量之間產生-/2的固定相位差。于是總相位差為'sinmtmsin2 V 二 2調制的透過率可表示為(3.2-4). 1sin mt =-1 sin(.mSin mt)利用貝塞爾函數將上式中的sinmSin押展開得TJ2n 1( ：m)si n(2n 1)mt(3.2-5)2 n =0可見，輸出的調制光中含有高次諧波分量，使調制光發生畸變為了獲得

13、線性調制，必須將高次諧波控制在允許的范圍內。設基頻波和高次波 的幅值分別為I1和I2n+1，那么高次諧波與基頻波成分的比值為2n 111J2n1(_m)J1(：m)(n =0,1,2/ )(3.2-6)假設取，m=:1rad，那么 J11=0.44，31 =0.02，丨3/丨1=0.045，即三次諧波為基波的5%。在這個范圍內可近似獲得線性調制，因而取 : m =皿隘汨rad3.2-7作為線性調制的判據。為了獲得線性調制，要求調制信號不宜過大小信號調制，那么輸出光強調 制波就是調制信號V二VmSinrt的線性復現。如果.m<1rad的條件不能滿足大 信號調制，那么光強調制波就要發生畸變。

14、縱向電光調制器具有結構簡單、工作穩定、不存在自然雙折射的影響等優點。 其缺點是半波電壓太咼，特別是在調制頻率較咼時，功率損耗比較大。橫向電光調制橫向電光效應的運用可以分為三種不同形式： 沿z軸方向加電場，通光方向垂直于z軸，并與x軸或y軸成45。夾角晶 體為45 -z切割。 沿x方向加電場即電場方向垂直于光軸，通光方向垂直于x軸，并與z 軸成45夾角晶體為45 -x切割。 沿y方向加電場即電場方向垂直于光軸，通光方向垂直于y軸，并與z 軸成45夾角晶體為-y切割。在此僅以KDP晶體的第一類運用方式為代表進行 分析。橫向電光調制如圖6所示。進入晶體后，將分解為沿x和z方向振動的兩個 分量，其折射

15、率分別為nx和nz。假設通光方向的晶體長度為 L,厚度兩電極間的距離為d，外加電壓V = Ed，那么從晶體出射兩光波的相位差為川 2兀2兀1 3 Lnx -nzLn。- neLn°63 V3.2-92 d可見，KDP晶體的r63橫向電光效應使光波通過晶體后的相位延遲包括兩項：第一項為哪一項與外電場無關的晶體本身的自然雙折射引起的相位延遲，向對調制器的工作沒有什么奉獻，而且當晶體溫度變化時，還會帶來不利影響，應設法消除。第二項是外電場作用產生的相位延遲，他與外加電壓V和晶體的尺寸L/d有關,假設適當地選擇晶體的尺寸，那么可以降低半波電壓。在實際應用中，主要是采用一種“組合調制器的結構予以補償。常用的補 償方法有兩種：一種方法是將兩塊尺寸、性能完全相同的晶體的光軸互成90串聯排列，即一塊晶體的y和z軸分別與另一塊晶體的z和y平行；另一種方法是，兩塊晶體的z軸和y軸互相反向平行排列，中間放置 /2波 片。這兩種方法的補償原理是相同的。外電場沿 z軸光軸方向，但在兩塊晶體中電場相對于光軸反向