第五章光束的调制与扫描试用
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光束的调制和扫描
共24页 5 24页
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3.5直接调制 直接调制
光纤 激光源 光信号输出 驱动器
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 变为电流信号注入半导体光源（ 光二极管LD或半导体发光二极管 光二极管 或半导体发光二极管 LED），从而获得调制光信号。由电信号 ），从而获得调制光信号 ），从而获得调制光信号。 于它是在光源内部进行的， 于它是在光源内部进行的，因此又 输入 称为内调制。 称为内调制。
Pout
Pout
t O Ib ID t I
O
I
(a)
t
(b)
数字调制特性； 数字调制特性 (a) 加Ib后LD数字调制特性；(b) LED数字调制特性 数字调制特性 数字调制特性
线性矩形调制
共24页 14 24页
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调制器及波形
数字调制是用二进制数字信号“ 和 数字调制是用二进制数字信号“1”和“0”码对光源发 码对光源发 出的光波进行调制。而数字信号大都采用脉冲编码调制， 出的光波进行调制。而数字信号大都采用脉冲编码调制， 即先将连续的模拟信号通过“抽样” 即先将连续的模拟信号通过“抽样”变成一组调幅的脉冲 序列，再经过“量化” 编码”过程，形成一组等幅度、 序列，再经过“量化”和“编码”过程，形成一组等幅度、 等宽度的矩形脉冲作为“码元” 等宽度的矩形脉冲作为“码元”，结果将连续的模拟信号 变成了脉冲编码数字信号。然后， 变成了脉冲编码数字信号。然后，再用脉冲编码数字信号 对光源进行强度调制
共2CK
蛇形磁场变化的周期为
2π T= ∆β
∆β：TE模和 模传播常数之差。 模和TM模传播常数之差 模传播常数之差。 模和 可将输入TM模的（λ=1.52µm）52%的功率转换到 模的（ 可将输入 模的 ） 的功率转换到 TE模上去。磁光波导模式转换调制器的输出耦合器一般 模上去。 模上去 使用具有高双折射的金红石棱镜，使输出的TE和 模 使用具有高双折射的金红石棱镜，使输出的 和TM模 分成两条光束。 分成两条光束。
第五章 电光调制器
电光调制
电光调制：将电信息加载到光载波上，使光参量随着电参量的 对光场的幅度、频率、相位等参数，均可进行调制。 性能优良的调制器必须具备：高消光比、大带宽、低啁啾、低 电光调制器的主要参数有：半波电压、特性阻抗、调制带宽、
改变而改变。光波作为信息的载波。
的偏置电压。
调制深度（调制效率）、透过率、消光比、插入损耗、品质因数
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
光开关
13
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。 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。
纵向电光调制：电场方向与光的传播方向平行。
横向电光调制：电场方向与光的传播方向垂直。
电光调制
由于纵向调制电光器件需要透明电极，器件工艺复杂、 加工成本大，因此常用的电光器件大多采用横向调制设计。
横向电光调制器
由此可知， x 轴与 z 轴的综合电光效应使光波通过 晶体后的相位差包括两项：
第一是与外加电场无关的晶体本身的自然双折射引起的相
位延迟，这对调制器的工作没有贡献，而且会因温度变化引
起折射率的变化而导致相位差漂移，进而使调制光发生畸变， 甚至使调制器不能正常工作，应设法消除或补偿双折射现象；
横向电光调制器
优点： 半波电压低、驱动功率小，应用较为广泛。
缺点：
存在自然双折射引起的相位延迟，这意味着在没有外加电场 时，通过晶体的线偏振光的两偏振分量之间就有相位差存在，
当晶体因温度变化而引起折射率的变化时，两光波的相位差发
光束调制原理
23
二、振幅调制
其调幅波的表达式为：
E ( t ) A c 1 m a cm o t cs o c t c ) s(
利用三角公式：
c o cs o s 1 co s ) (co s )( 2
得：
E(t)A ccos ct (c)k 2A cco ( scm)tc k 2A cco ( scm)tc
光发调制（内调制）
27
一、基本概念
内调制
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,降低了输出功率。
b.调制器带宽受到谐振腔通带的限制
26
一、基本概念
外调制
指激光形成之后，在激光器外的光路
电信号输入
上放置调制器，用调制信号改变调制器 激光源 的物理特性，当激光通过调制器时，就
调幅波的频谱是由三个频率成分组成的。
第一项是载频分量；
第二、三项是因调制而产生的新分量，称为边频分量 。
Ac
调
m a Ac 2
m a Ac
2
幅
c m
c
c m
波
频
2 m
谱
17
三、角度调制
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。因为这两种调制波都表现为总相角 (t) 的变化，因此统称为角度调制。
由激光“携带”的信息(包括语言、文字、图像、符号等)通过一定的传 输通道(大气、光纤等)送到接收器，再由光接收器鉴别并还原成原来的信息 。这种将信息加载于激光的过程称之为调制。
30
一、基本概念
完成这一过程的装置称为调制器(Modulator）。 其中激光称为载波；起控制作用的低频信息称为调制 信号（需要调制的信息需转化为电信号）。
光电子技术 电光调制
§3第.2电三光章调制 光束的调制和扫描
本章内容： §3.1光束调制原理 §3.3 声光调制 §3.5 直接调制
§3.2 电光调制 §3.4 磁光调制 §3.6 光束扫描技术
本章要求： 1 了解光调制的一般概念. 2 掌握各种调制与扫描的原理与特点.(重点与难
点)
§3.2电光调制
一、电光强度调制 利用纵向电光效应和横向电光效应均可实现电光强 度调制。
2
m
2
si n m t )
1 [1 sin( sin t)]
2
m
m
(3 19)
§3.2电光调制
T
sin2
4
m
2
si n m t
1
cos(
2
m
2
si n m t )
1 [1 sin( sin t)]
2
m
m
(3 19)
可证（P79）, 若
m
Vm V
1rad
(3 - 22)
（3-19）式可表示成线性关系：
1 纵向电光调制器及其工作原理
x
P1
Ii
z
y
x y
L
起偏器
~
/4波片
V
图3-4 纵向电光强度调制
P2
调制光 Io
检偏器
§3.2电光调制
x
P1
Ii
z y
L
x y
起偏器
~
/4波片
V
设通过起偏器P1后的偏振光振幅为Ex
刚进入晶体（z=0）被分解为沿x和y
方向的两个分量，其振幅和相位都相
同，分别为:
Ex (0)
L
调制光
~V
本章内容： §3.1光束调制原理 §3.3 声光调制 §3.5 直接调制
§3.2 电光调制 §3.4 磁光调制 §3.6 光束扫描技术
本章要求： 1 了解光调制的一般概念. 2 掌握各种调制与扫描的原理与特点.(重点与难
点)
§3.2电光调制
一、电光强度调制 利用纵向电光效应和横向电光效应均可实现电光强 度调制。
2
m
2
si n m t )
1 [1 sin( sin t)]
2
m
m
(3 19)
§3.2电光调制
T
sin2
4
m
2
si n m t
1
cos(
2
m
2
si n m t )
1 [1 sin( sin t)]
2
m
m
(3 19)
可证（P79）, 若
m
Vm V
1rad
(3 - 22)
（3-19）式可表示成线性关系：
1 纵向电光调制器及其工作原理
x
P1
Ii
z
y
x y
L
起偏器
~
/4波片
V
图3-4 纵向电光强度调制
P2
调制光 Io
检偏器
§3.2电光调制
x
P1
Ii
z y
L
x y
起偏器
~
/4波片
V
设通过起偏器P1后的偏振光振幅为Ex
刚进入晶体（z=0）被分解为沿x和y
方向的两个分量，其振幅和相位都相
同，分别为:
Ex (0)
L
调制光
~V
题库3光束的调制与扫描
一、填空1.光探测器的物理效应主要是光热效应和光电效应。
2.光电效应分为光电导效应、光伏效应、光电发射效应。
3.微光机电系统的特点，是功能系统的微型化、集成化、智能化。
4.光电池的基本特性有光照特性、伏安特性、光谱特性、频率特性、温度特性。
5.光探测器是将光信号转变为电信号的关键器件。
6.光电效应分为光电导效应、光伏效应、光电发射效应。
7.光探测器的固有噪声主要有：热噪声、1/f噪声、温度噪声、产生-复合噪声、散粒噪声。
8.光电三极管的基本特性有光照特性、伏安特性、温度特性、频率特性。
9.光热探测器有热敏电阻和热释电探测器。
10.光电探测器有光电导器件、结型光电器件、光电发射器件名词解释1、激光调制：将欲传输的信息加载于激光的过程称为激光调制。
2、调制器：完成激光调制这一过程的装置称为调制器。
3、载波：激光调制中激光称为载波。
4、调制信号：激光调制中起控制作用的低频信息称为调制信号。
5、内调制：加载信号是在激光振荡过程中进行的，以调制信号改变激光器的振荡参数，从而改变激光器输出特性以实现调制.6、外调制：激光形成之后，在激光器的光路上放置调制器，用调制信号改变调制器的物理性能，当激光束通过调制器时，使光波的某个参量受到调制.7、调幅：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.8、调频或调相：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。
9、角度调制：两种调制波都表现为总相角(t)的变化，统称角度调制10、强度调制：使光载波的强度(光强)随调制信号规律变化的激光振荡.11、模拟调制：调制方式所得到的调制波是一种连续振荡波，统称为模拟调制.12、脉冲调制：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.13、脉冲编码调制：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.14、15、16、17、9简答1、什么是光电器件的光谱特性？答：光电器件对功率相同而波长不同的入射光的响应不同，即产生的光电流不同。
第五章 声光调制和扫描技术
AC = x cos θ i
BD = x cos θ d
x ( cos θ i − cos θ d ) = mλi
λi ——光在介质中的波长
产生布喇格声光 衍射条件的模型
对于x值并不是固定的。即当x是任意值时，上式都应成 立。只有：
cosθi－cosθd＝ 0
则 θ i＝θ d －入射角和衍射角相等。
b.光线入射在任意两个声波相位波 面上 入射光入射到两个不同的镜面上产 生衍射。其两束光的光程差： EF＋ED
EF＝λs sin θ i DE = λs sin θ i
产生布喇格声光 衍射条件的模型
由C，E点反射的2’，3’光束具有同相位。其光程差FE+EG 必须等于光波波长的整数倍，即：
λ s (sin θ i + sin θ d ) = m
即最大的调制带宽近似等于声频率fs的一半。因此，大的 调制带宽要采用高频布喇格衍射才能得到。
5.3.3 声光调制器的衍射效率
声光调制器的另一重要参量是衍射效率。要得到100％ 的调制所需要的声强度为:
Is =
所需的声功率:
λ2 cos2 θ B
2M 2 L2
λ2 cos 2 θ B H
2M 2 L
声速比光速小的多,声波场的介质厚度 比较小 声速比光速小的多 声波场的介质厚度L比较小，相当于一个平面相位 声波场的介质厚度 比较小， 光栅，超声波的频率比较低，光栅间距大。当平行光通过光栅时， 光栅，超声波的频率比较低，光栅间距大。当平行光通过光栅时，产 生多级衍射－各级衍射对称的分布在零级两侧。 生多级衍射－各级衍射对称的分布在零级两侧。
所以行波时介质的折射率为：
1 3 n0 PS 0 sin(ω s t − k s x) 2
光学信号的调制
(3)声光调制器
－－衍射光强度调制 ＋1级（或－1级）光输出
布拉格型声光调制器
I1 2 sin ( )， Ps Ii 2 2
Ii I1
I1 0.5 m sin t Ii
4，8，……
0100，1000，……
数字信号
5.3 光学信号调制的基本方法
可调参数： －－光强、振幅、频率、相位、 －－偏振方向、传播方向，· · · · ··
一、 光信号强度的调制 二、 光信号相位的调制 三、光信号频率的调制 四、 光信号偏振的调制
一、 光信号强度的调制
可实现强度调制典型的方法
喇曼－奈斯衍射：
布拉格衍射：
特点：平面光栅，多级衍
射，零级光最强，其他级衍 射光对称地分布在零级光两 侧，光强依次递减。
特点：体光栅，只出现
零级和一级衍射光;超声场 足够强，入射能量几乎全 部转移到＋1级（－1级）
布拉格声光衍射光能利用率高，因而大部分调制器均 采用行波声场的布拉格型声光调制器！
（3）声光调制器 －－应用： 衍射光强度调制 衍射光频率调制 衍射光方向调制
反射率等）的光学元件。
计量光栅
（空间周期P>>λ ）
衍射光栅
（空间周期P≈λ ）
典型的计量光栅
－－光栅莫尔条纹
结构： 小夹角 主光栅--定光栅 指示光栅--动光栅
B
P
典型的计量光栅
－－光栅莫尔条纹
结构：
光栅莫尔条纹 原理：
两光栅移动，莫尔条纹移动 光通量明暗交替变化 光栅位移信息－－光强信号
背景大张角
目标小张角
b. 用调制盘进行空间滤波
空间滤波分析：
初升太阳 调制盘
3.1+光束调制原理.
Ec (t) Ac cos(ct c )
c不再是常数，而是随调制信号而变化，即：
(t) ct c k a(t) ct c k Am cos mt
(3.1.8)
则调相波的表达式为：
E(t) Ac cos(ct m cosmt c ) (3.1.9)
ωc 不再是常数，而是随调制信号而变化，即：
(t) c (t) c k f a(t) (3.1.5)
若调制信号是余弦函数，则调频波总相角为：
(t) (t)dt c c k f a(t) dt c
ct k f a(t)dt c ct k f ( Am cosmt)dt c
2. 调制器：指用于改变光波特性参数的物质或器件， 可分为天然调制器和人工调制器，又可以分为体调制 器和光波导调制器。 3. 调制种类：按照对光波参数的调制，可以分为强度 调制、相位调制、频率调制和偏振调制等。 4. 调制方式：按照光受到的作用场的不同，可以分为 电光调制、声光调制、磁光调制和光光调制等。
完成这一过程的装置称为调制器(Modulator）。其中激光 称为载波；起控制作用的低频信息称为调制信号。
例子：
调幅波的调制过程
电视传像的基本过程
解调（demodulate)：调制的反过程，把调制信号还原 成原来的信息。
激光光波的电场强度是：
Ac 振 幅
Ec (t) Ac cos(ct c )
知道了调制系数m，就可从贝塞尔函数表查得各阶贝塞尔 函数的值。
将以上两式代入(3.1-11) 式利用三角函数关系式：
sin sin
1
2
cos( ) cos( )
c不再是常数，而是随调制信号而变化，即：
(t) ct c k a(t) ct c k Am cos mt
(3.1.8)
则调相波的表达式为：
E(t) Ac cos(ct m cosmt c ) (3.1.9)
ωc 不再是常数，而是随调制信号而变化，即：
(t) c (t) c k f a(t) (3.1.5)
若调制信号是余弦函数，则调频波总相角为：
(t) (t)dt c c k f a(t) dt c
ct k f a(t)dt c ct k f ( Am cosmt)dt c
2. 调制器：指用于改变光波特性参数的物质或器件， 可分为天然调制器和人工调制器，又可以分为体调制 器和光波导调制器。 3. 调制种类：按照对光波参数的调制，可以分为强度 调制、相位调制、频率调制和偏振调制等。 4. 调制方式：按照光受到的作用场的不同，可以分为 电光调制、声光调制、磁光调制和光光调制等。
完成这一过程的装置称为调制器(Modulator）。其中激光 称为载波；起控制作用的低频信息称为调制信号。
例子：
调幅波的调制过程
电视传像的基本过程
解调（demodulate)：调制的反过程，把调制信号还原 成原来的信息。
激光光波的电场强度是：
Ac 振 幅
Ec (t) Ac cos(ct c )
知道了调制系数m，就可从贝塞尔函数表查得各阶贝塞尔 函数的值。
将以上两式代入(3.1-11) 式利用三角函数关系式：
sin sin
1
2
cos( ) cos( )
光束的调制和扫描赣南师范大学课件
高分辨率扫描
通过精细控制光束的扫描轨迹， 实现高分辨率信息的获取，常 用于科学研究和技术检测。
扫描的应用
光学信息处理
利用光束扫描技术对光学信息进行获 取、传输和处理。
02
激光雷达
通过光束扫描实现对目标物体的距离 和形状的测量。
01
03
医学影像
利用光束扫描技术获取人体内部结构 的三维图像。
智能感知
通过光束扫描技术实现对环境的感知 和识别，如人脸识别、物体识别等。
按调制方式分类
直接调制和间接调制。直接调制是指 直接改变激光器的输出光束的参数， 间接调制是指利用外部物理效应改变 光束参数实现调制。
02
光束扫描的基本概念
扫描的原理和分类
扫描的原理
光束扫描是指通过控制光束的位置或方向，使其按照特定的轨迹移动，以达到对 目标进行扫描的目的。
扫描的分类
根据光束的扫描方式，可以分为机械扫描和电扫描。机械扫描是通过物理方式（ 如旋转或摆动）改变光束的方向，而电扫描则是通过改变电场或磁场来控制光束 的传播方向。
05
04
高速通信
利用高速光束扫描技术实现高速数据 传输和信号处理。
机械调制
定义
应用
机械调制是利用机械作用来改变光束 的参数，如振幅、相位、频率等。
在光通信、光学仪器等领域有广泛应 用。
分类
根据调制原理，可1
02
03
定义
光学调制是利用光学元件 （如偏振片、光栅等）来 改变光束的参数。
扫描的方式和特点
区域扫描
光束在一个区域内进行扫描， 可以用于二维信息的获取或输 出，如电视屏幕的扫描。
高速扫描
快速移动光束以获取高速动态 信息，常用于高速运动目标的 跟踪和识别。
《光束调制和扫描》课件
PPT,a click to unlimited possibilities
汇报人：PPT
01
02
03
04
05
06
光束调制：通 过改变光束的 强度、相位、 频率等参数， 实现对光信号
的调制
调制方式：包 括强度调制、 相位调制、频
率调制等
调制目的：提 高光信号的传 输效率和稳定 性，实现信息 的传输和接收
激光电视：利用激光显示技术，实现高清、大屏幕的电视观看体验
激光投影：利用激光显示技术，实现高亮度、高对比度的投影效果
激光显示系统：利用激光显示技术，实现高亮度、高对比度的显示效果，广泛应用于商业、教育等领域
激光显示技术在医疗领域的应用：利用激光显示技术，实现高亮度、高对比度的显示效果，应用于医疗影像诊断 等领域
扫描方式：包括机械扫描、 电子扫描和光学扫描等
光束扫描：通过改变光束的传 播方向和强度，实现对目标区 域的扫描
扫描应用：广泛应用于激光加 工、光学测量、医学成像等领
域
扫描技术：包括光束调制、 光束聚焦、光束整形等
电子扫描：通过电子控制改 变光束的方向
机械扫描：通过机械装置改 变光束的方向
声光扫描：通过声光效应改 变光束的方向
激光通信是一种利用激光束进行信息传输的通信方式
激光通信具有高速、远距离、抗干扰能力强等优点
激光通信在军事、航天、科研等领域有着广泛的应用
激光通信技术在光束调制和扫描技术中的应用，可以实现远距离、高速、高精度 的信息传输
激光切割：用于切割各种材料，如金属、塑料、玻璃等 激光焊接：用于焊接各种材料，如金属、塑料、陶瓷等 激光打标：用于在材料表面打上标记，如文字、图案、二维码等 激光雕刻：用于在材料表面雕刻出各种图案和形状，如浮雕、镂空等
汇报人：PPT
01
02
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04
05
06
光束调制：通 过改变光束的 强度、相位、 频率等参数， 实现对光信号
的调制
调制方式：包 括强度调制、 相位调制、频
率调制等
调制目的：提 高光信号的传 输效率和稳定 性，实现信息 的传输和接收
激光电视：利用激光显示技术，实现高清、大屏幕的电视观看体验
激光投影：利用激光显示技术，实现高亮度、高对比度的投影效果
激光显示系统：利用激光显示技术，实现高亮度、高对比度的显示效果，广泛应用于商业、教育等领域
激光显示技术在医疗领域的应用：利用激光显示技术，实现高亮度、高对比度的显示效果，应用于医疗影像诊断 等领域
扫描方式：包括机械扫描、 电子扫描和光学扫描等
光束扫描：通过改变光束的传 播方向和强度，实现对目标区 域的扫描
扫描应用：广泛应用于激光加 工、光学测量、医学成像等领
域
扫描技术：包括光束调制、 光束聚焦、光束整形等
电子扫描：通过电子控制改 变光束的方向
机械扫描：通过机械装置改 变光束的方向
声光扫描：通过声光效应改 变光束的方向
激光通信是一种利用激光束进行信息传输的通信方式
激光通信具有高速、远距离、抗干扰能力强等优点
激光通信在军事、航天、科研等领域有着广泛的应用
激光通信技术在光束调制和扫描技术中的应用，可以实现远距离、高速、高精度 的信息传输
激光切割：用于切割各种材料，如金属、塑料、玻璃等 激光焊接：用于焊接各种材料，如金属、塑料、陶瓷等 激光打标：用于在材料表面打上标记，如文字、图案、二维码等 激光雕刻：用于在材料表面雕刻出各种图案和形状，如浮雕、镂空等
CH.5 声光调制和扫描技术-r
积分结果
a sin ko sin mks 2 i m s t E p J m e a m ko sin mks 2
sin c 函数
m 0,1,2
讨论
极大条件
• m 取不同值表示不同方向可能取得极大值
声光衍射 a sin ko sin mks 2 i m s t E p J m e m ko sin mks a 2
B
d
i
1级
C
s
ks
• 从同一“镜面”反射的光光程差为零；
AC BD ,
得到
i d
A i
0级
衍射角 = 入射角 • 相邻两“镜面”反射的光，光程差
= 光波长整数倍
i O OA OB 2s sin i l l 0,1,2 n 但没有考虑声波的移动 得到 2 sin i Bragg条件 s B n
e
dx
与 dx 大 小成比例
入射场
声光介质中
空气中
e
i t o ko Ro i ko x sin sin s t k s x
与 x 无关
e
与 x 有关
dx
P 点处光强为从
a a 到 的积分 2 2
dx 其中 i sin st k s x 欧拉公式 e cos sin i sin sin
以熔融石英为例，假设只 有 x 方向有伸缩应变：
1 ( n 2 )1 p 1 11 ( 2 ) 2 p12 n ( 1 ) p12 n2 3 1 ( 2 ) 4 n ( 1 ) n2 5 1 ( 2 ) 6 n p12 p11 p12 p12 p12 p11
a sin ko sin mks 2 i m s t E p J m e a m ko sin mks 2
sin c 函数
m 0,1,2
讨论
极大条件
• m 取不同值表示不同方向可能取得极大值
声光衍射 a sin ko sin mks 2 i m s t E p J m e m ko sin mks a 2
B
d
i
1级
C
s
ks
• 从同一“镜面”反射的光光程差为零；
AC BD ,
得到
i d
A i
0级
衍射角 = 入射角 • 相邻两“镜面”反射的光，光程差
= 光波长整数倍
i O OA OB 2s sin i l l 0,1,2 n 但没有考虑声波的移动 得到 2 sin i Bragg条件 s B n
e
dx
与 dx 大 小成比例
入射场
声光介质中
空气中
e
i t o ko Ro i ko x sin sin s t k s x
与 x 无关
e
与 x 有关
dx
P 点处光强为从
a a 到 的积分 2 2
dx 其中 i sin st k s x 欧拉公式 e cos sin i sin sin
以熔融石英为例，假设只 有 x 方向有伸缩应变：
1 ( n 2 )1 p 1 11 ( 2 ) 2 p12 n ( 1 ) p12 n2 3 1 ( 2 ) 4 n ( 1 ) n2 5 1 ( 2 ) 6 n p12 p11 p12 p12 p12 p11
激光设备控制技术教材——第五章第五节讲解
第五节脉冲调制方法脉冲宽度调制是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。
脉冲宽度调制是一种模拟控制方脉冲宽度调制是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中脉冲宽度调制是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。
脉冲宽度调制是一种模拟控制方式，其根据相应载荷的变化来调制晶体管基极或MOS管栅极的偏置，来实现晶体管或MOS管导通时间的改变，从而实现开关稳压电源输出的改变。
这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定，是利用微处理器的数字信号对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术。
PWM控制技术以其控制简单，灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广泛应用的控制方式，也是人们研究的热点。
由于当今科学技术的发展已经没有了学科之间的界限，结合现代控制理论思想或实现无谐振波开关技术将会成为PWM控制技术发展的主要方向之一。
式，其根据相应载荷的变化来调制晶体管基极或MOS管栅极的偏置，来实现晶体管或MOS管导通时间的改变，从而实现开关稳压电源输出的改变。
这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定，是利用微处理器的数字信号对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术。
一、PWM基本思想PWM (Pulse Width Modulation)控制就是脉宽调制技术：即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效获得所需要的波形（波形含形状和幅值两部分)。
PWM技术的应用十分广泛，它使电力电子装置的性能大大提高，因此它在电力电子技术的发展史上占有十分重要的地位。
PWM的重要理论基础是面积等效原理，所谓的面积等效原理是包括冲量和效果，冲量相等而形状不同的窄脉冲加在惯性环节时，其效果基本相同。
冲量指的是窄脉冲的面积，效果基本相同是指环节的输出响应波形基本相同。
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(t ) c (t ) c k f a(t )
则调制波的表达式为
E (t ) Ac cos( c t m f sin m t c )
同样，相位调制就是
相位角c随调制信号的 变化规律而变化，则调相波的表达式为
E (t ) Ac cos( c t m sin m t c )
由于调频和调相实质上最终都是调制总相角，
因此可写成统一的形式
E (t ) Ac cos( c t m sin m t c )
cos( m sin m t ) J 0 ( m) 2 J 2 n ( m) cos( 2n m t )
n 1
sin( m sin m t ) 2 J 2 n 1 ( m) sin[( 2n 1) m t ]
2 2
z nz
光沿主轴方向传播：
nx x
y
ny
双折射现象
利用折射率椭球说明光在晶体中的传播特性
光沿任意方向传播
z
nz
N ny n2 y z nz no y
nx x 双轴晶体：
n1
nx n y nz
单轴晶体： nx n y nz
x 光传播方向平行于z方向，振动面与椭球截线为 半径等于nx的圆。折射率、速度都一样，不发 生双折射现象。Z为光轴
g (x)
实际测量框图
利用这种调制技术可以直接测量位移的变化量(变 形器上的变形板位移的大小决定光强的衰减程度), 而间接测量的量则可包括温度，压力，振动，应变 等。
脱 模 器
脱 模 器
探测器
脱
模
器
的
作
用
这里脱模器的作用是在进入探测器之前消除掉进入 包层中的光以保证只有纤芯中的光才能传到变形器 和探测器。 其方法是在几厘米长的包层外边表面上刷上黑漆， 这就可以以乎完全吸收掉传入包层中的光（或者剥 去外包层臵于折射率匹配的小盒中）。
1 0 0 I 0 1 0 0 0 1
折射率也为张量
1 11 n 21 31
12 1 22 32
13 23 1 33
折射率椭球
D E Dx xx E x xy E y xz E z Dy yx E x yy E y yz E z Dz zx E x zy E y zz E z
第五章
光束的调制与扫描
主要内容
光束的调制原理 5.2 内调制 5.3 光在电光晶体中的传播 5.4 电光调制 5.5声光调制 5.6磁光调制 5.7光束扫描技术
5.1
5.1 光束的调制原理
何 谓 光 调 制
光调制就是将一个携带信息的信号叠加到载波光
波上,完成这一过程的器件称为调制器。
n 1
得到
E (t ) Ac J 0 (m) cos( c t c ) Ac J n (m)[cos( c n m )t c ( 1) cos( c n m )t c ]
n n 1
3. 强度调制
强度调制使光载波的强度(光强)随调制信号
考虑到张量的对称性，在主轴坐标系下 ,有： Dx x E x Dy y E y Dz z E z 根据：
D E 2Wo
用一个椭球表示介电常数在空间的分布：
x2 y2 z2 1
x
2
y
z
由于： n 2 / 0 , 上式可以写为 x y z 2 2 1 2 n x n y n z
微弯调制示意图
2、
微弯效应造成的损耗
可写成如下形式 f (, m, x, a, b, )
定 量 分 析
式中 为齿距，m 为齿数目， x 为变形幅度， a为纤 b 为光纤外半径， 为内外层折射率差值。 芯半径， 其中任何一个参数改变都会起到光强调制的作用。在实际 问题里，变形器及光纤参数全部固定时，则可认为
规律变化，如图2所示。光束调制多采用强度 调制形式，这是因为接收器一般都是直接响 应其所接收的光强。
I(t) 调制信号 载波 t
图2 强度调制
光束强度定义为光波电场的平方
I (t ) E (t ) A cos ( c t c )
2 2 c 2
于是，强度调制的光强可表示为
Ac2 2 I (t ) [1 k p a (t )] cos ( c t c ) 2
Ac maAc/2 maAc/2
t
c-m
c
2m
c+m
图1 调幅波频谱
2.频率调制和相位调制
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。因为这两种调 制波都表现为总相角(t)的变化，因此统称为 角度调制。 对频率调制来说，就是相位角中的角频率c随 调制信号变化
1.半导体激光器（LD）直接调制的原理
图3为砷镓铝双异质结注入式半导体激光器的
输出光功率与驱动电流的关系曲线。图4所示 半导体激光器的光谱特性。
10 输出功 率(mW) 5 0 50 100 150 200 驱动电流(mA) It 相 100 80 对 60 辐 40 射 20 强 度 (%) 高于阈值 低于阈值
4、其它类型
被测物体移动引起
光纤变形，曲率半 径随之改变，引起 辐射模。
将光纤绕成 多圈螺旋管 状，增加变 形长度以提 高灵敏度。
微 弯 型 水 听 器
多模光纤绕于带
有螺纹的铝管螺 纹谷内不会发生 变形，而通过纵 向槽的那部分光 纤将由于外部压 力而变形，如果 这种压来来自于 声波，则可依此 原理制成水听器。
Ic
已调光波
t
Ico (a) (b)
I
图7 模拟信号驱动电路激光强度调制 (a) 驱动电路； (b) LED工作特性
４微弯效应光强度调制技术
微弯调制技术属于内调制，属于功能性 调制技术，它是利用光纤本身特性的改 变来实现光调制的。
1、
原
理
利用光在微弯光纤中强度的衰减原理，将光纤夹在两块 具周期性波纹的微弯析构成的变形器中构成调制器。从 波导理论的观点来看，当光纤发生弯曲时，传输光会有 一部分泄漏到包层中去，这种泄漏是光纤内发生模式耦 合的结果，这些耦合模变为辐射模，造成传播光能量的 损耗。 纤芯中的光向包层逸出的原因从几何光学来说是由于全 反射条件的破坏造成的，从波导理论来说则是光纤的弯 曲引起了各种传导模式的耦合，则形成耦合模式被送入 包层中去产生辐射模。
的大小决定于坐标轴相对于晶格结构的选择，即坐 标选择。此时，介电常数也为相应张量
ij
12 13 1 11 0 r 0 (I ) 21 1 22 23 31 32 1 33
式中，I为单位张量
ＬＡＳＥＲ
脱模器
探测器
5.3 光在电光晶体中的传播
复习：晶体的极化率与介电常数
折射率椭球 双折射现象 电光效应
•复习
P与E的方向不一致，且各方向的极化率不同。
这种介质中c极化率为二阶张量
11 21 31
12 22 32
13 23 33
950 1050 波长(m) 图4 半导体激光器的光谱特性
850
图3半导体激光器的输出特性
L
C LD ~ 调制 信号 直流 偏置
输 出 功 率
直流 偏置
t 输出光 强信号 t 调制信号 t (b)
(a)
图5半导体激光器调制 (a) 电原理图；(b) 调制特性曲线
2.半导体发光二极管（LED）的调制特性
仍设调制信号是单频余弦波，则
A I (t ) [1 m p cos m t ] cos 2 ( c t c ) 2
2 c
4. 脉冲调制
并使载波的某一参量按调制信号规律变化的调 制方法。即先用模拟调制信号对一电脉冲序列 的某参量(幅度、宽度、频率、位臵等)进行电 调制，使之按调制信号规律变化，成为已调脉 冲序列，如图3所示。然后再用这已调电脉冲 序列对光载波进行强度调制，就可以得到相应 变化的光脉冲序列。 脉冲调制有脉冲幅度调制、脉冲宽度调制、脉 冲频率调制和脉冲位臵调制等。
脉冲调制是用间歇的周期性脉冲序列作为载波，
(a) 调制信号 (b) 脉冲幅度调制 (c) 脉冲宽度调制 (d) 脉冲频率调制 (e) 脉冲位置调制 图3 脉冲调制形式
5.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。
半导体发光二极管由于不是阈值器件，它的
输出光功率不像半导体激光器那样会随注入 电流的变化而发生突变，因此，LED的P－I特 性曲线的线性比较好。图6示出了LED与LD的P －I特性曲线的比较。
16 14 LED1LD2 12 LED2 LD1 Pout(mW) 10 8 LED3 6 LED4 4 2 0 0 100 200 300 400 I(mW) 图6 LED与LD 的Pout-I曲线比较
⑴抽样。抽样就是把连续信号波分割成不连
续的脉冲波，用一定的脉冲列来表示，且脉 冲列的幅度与信号波的幅度相对应。也就是 说，通过抽样，原来的模拟信号变成一脉幅 调制信号。按照抽样定理，只要取样频率比 所传递信号的最高频率大两倍以上，就能恢 复原信号。
⑵量化。量化就是把抽样后的脉幅调制波作分级 取“整”处理，用有限个数的代表值取代抽样值 的大小。经抽样再通过量化过程变成数字信号。 ⑶编码。编码是把量化后的数字信号变换成相应 的二进制码的过程。即用一组等幅度、等宽度的 脉冲作为“码子”，用“有”脉冲和“无”脉冲 分别表示二进制数码的“1”和“0”。再将这一系 列反映数字信号规律的电脉冲加到一个调制器上， 以控制激光的输出，由激光载波的极大值代表二 进制编码的“1”，而用激光载波的零值代表“0”。 这种调制方式具有很强的抗干扰能力，在数字激 光通信中得到了广泛的应用。