2-4光学参量调制变换原理
光学参量振荡 波长调谐
光学参量振荡波长调谐
光学参量振荡是一种非线性光学过程，它涉及到光的参量过程和振荡。
在光学参量振荡中，两束泵浦光束通过非线性材料相互作用，产生两束新的光束，即信号光和辅助光。
信号光和辅助光的频率和波矢之间存在特定的相位匹配条件。
波长调谐是指通过改变泵浦光束的频率或非线性材料的温度或其他参数，来调节信号光和辅助光的波长。
通常情况下，波长调谐可以通过改变非线性材料的相位匹配条件来实现。
当泵浦光束的频率或非线性材料的参数发生变化时，相位匹配条件也会发生改变，从而导致信号光和辅助光的波长发生调谐。
波长调谐在光学参量振荡中具有重要的应用。
通过调谐信号光的波长，可以实现光在不同频率范围内的相互作用，从而实现光的频率转换、光谱分析、光通信等应用。
波长调谐还可以根据特定的应用需求，选择合适的波长范围和调谐范围，以满足不同领域的应用需求。
2.4光电三极管解析
光电流放大。
集电极输出的电流为
q I e ( 1) I P ( 1) (1 e d )Φe,λ h
光电三极管的电流灵敏度是光电二极管的β 倍。 相当于光电二极管的电流Ip被三极管放大β 倍。 为提高光电三极管的增益，减小体积，常将光电 二极管或光电三极管及三极管制作到一个硅片上构成
光敏面上无象限分隔线，
对光斑位置可连续测量。
5.光电开关与光电耦合器
光电开关和光电耦合器都是由发光端和受光端组成的组合 件。 光电开关不封闭，发光端与受光端之间可以插入调制板。 光电耦合器则是把发光元件与受光元件都封闭在一个不透
光的管壳内。
光电开关与光电耦合器结构示意图
(5）光谱响应
硅光电二极管与硅光电三极管具有相同的光谱响应。图中所示为
典型的硅光电三极管3DU3的光谱响应特性曲线，它的响应范围为
0.4~1.0μm，峰值波长为0.85μm。 对于光电二极管，减薄PN结的厚度可以使短波段波长的光谱响 应得到提高，因为PN结的厚度减薄后，长波段的辐射光谱很容易穿 透PN结，而没有被吸收。 短波段的光谱容易被减薄的PN结
③ 光生载流子被收集到集电极的时间；
④ 输出电路的等效负载电阻RL与等效电容Cce所构成的RC时间；
总时间常数为上述四项和。因此，光电三极管的响应时间比光 电二极管的响应时间要长得多。要改善光电三极管的频率响应， 由等效电路知应尽可能减小rbeCbe和RLCce的时间常数。在工艺上 设法减小结电容；选择合理的负载电阻。
就目前的应用看，两个并列的光电二极管或光电池，可用
来辨别光点移动的方向。
光学相位调制的原理和应用
光学相位调制的原理和应用
光学相位调制是一种控制光波相位的技术，它可以通过调制光波的相位来实现信号的调制和传输。
其原理基于光波的干涉现象，通过改变光的相位，可以改变光的干涉图样，进而实现信号的编码和解码。
光学相位调制的原理可以简述如下：当光波通过被调制的光栅、液晶、或者光电效应材料等介质时，介质中的折射率、吸收系数或者透明度会发生变化，从而改变了光波的相位。
通过对这些介质施加不同的电压或者传递不同的电流，可以精确地控制光波的相位调制。
光学相位调制在光通信、光存储和光计算等领域有着重要的应用。
它可以用于调制和解调光信号，实现高速光通信和高容量光存储。
此外，光学相位调制还可以用于光学成像和光学测量，例如在显微镜和干涉仪中的应用，可以实现高分辨率的图像获取和精确的测量结果。
光学相位调制还被广泛应用于激光器技术中。
通过调制光波的相位，可以实现激光器的频率调制、激光束的调制和激光脉冲的调制等功能。
这些应用对于光学通信、雷达、激光雷达、光学光谱、激光打印、光学标记和生物医学影像等领域具有重要意义。
总之，光学相位调制是一种重要的光学技术，它可以实现光信号的调制和传输，具有广泛的应用前景。
通过精细的相位调制，
可以实现高速、高容量的光通信和光存储系统，并在光学成像、光学测量和激光器技术等方面发挥重要作用。
第四章 光参量放大和光参量振荡 dff
第四章 光参量放大与光参量振荡自从1961年Franken 等人首先观察到二次谐波产生后不久，1962年Kingston 等人在理论上预言了三波相互作用中存在参量增益的可能性。
1965年，Wang 和Resettle 首先观察到三波非线性相互作用过程中的参量增益。
同年，Goodman 和Miller 首次用3LiNbO 晶体制作成了第一台光参量振荡器，开辟了一套全新运转的光学参量振荡器；1970年，Smith 、Parker 和Amman 等人将参量振荡器置于激光谐振腔内，分别研制成了连续和脉冲内腔式光学参量振荡器；1971年，Yarborough 和Massey 研制成了无共振腔的光学参量振荡器。
光学参量振荡器的输出具有很高的单色性和方向性，它是将频率固定的相干辐射变成可调谐相干辐射的重要手段之一。
与激光器输出激光的波长是由相应的原子跃迁决定的不同，光学参量振荡器输出波长是由泵频光的频谱、空间分布、相位匹配条件决定的，是可以在较大范围内调谐。
由于光学参量振荡器可以提供从可见一直到红外的可调谐相干辐射，因此在光谱研究中具有广阔的应用前景。
3ω、2ω的光波产生差频132=-ωωω（），在此过程中，频率为2ω的光波不是减少而是随着差频1ω光的产生一起增加，或者说频率为2ω的光波被放大了，这种放大称为光学参量放大。
在参量放大中，一般把频率为3ω的光叫泵频光，频率为2ω的光叫信频光，频率为1ω的光叫闲频光，光学参量放大器（Optical Parametric Amplifier,简称为OPA ）就是指对信号光进行放大的器件。
与激光放大器增益是由原子、分子能级之间的粒子数反转提供的不同，光参量放大器的增益是由非线性介质中光波之间的相互作用产生的。
4．1.1光参量放大过程的普遍解光参量放大是和频产生的逆过程，它的一般理论与差频产生的理论相同，不同的是输入光的条件。
通常把参量放大看成是用单个泵浦光束来激发的过程，而把差频产生看成是用两个强度相近的泵浦光束来激发的过程。
南京理工大学光电检测-习题解答
南京理工大学光电检测-习题解答南京理工大学光电检测课后习题答案第1章1、举例说明你说知道的检测系统的工作原理。
（1）光电检测技术在工业生产领域中的应用：在线检测：零件尺寸、产品缺陷、装配定位…（2）光电检测技术在日常生活中的应用：家用电器——数码相机、数码摄像机：自动对焦---红外测距传感器自动感应灯：亮度检测---光敏电阻空调、冰箱、电饭煲：温度检测---热敏电阻、热电偶遥控接收：红外检测---光敏二极管、光敏三极管可视对讲、可视电话：图像获取---面阵CCD医疗卫生——数字体温计：接触式---热敏电阻，非接触式---红外传感器办公商务——扫描仪：文档扫描---线阵CCD红外传输数据：红外检测---光敏二极管、光敏三极管（3）光电检测技术在军事上的应用：夜视瞄准机系统：非冷却红外传感器技术激光测距仪：可精确的定位目标光电检测技术应用实例简介点钞机钞票的荧光反映，可判别钞票真假。
（4）纸宽的检测—红外发光二极管及接收二极管的应用主要是用于根据钞票经过此红外发光及接收二极管所用的时间及电机的转速来间接的计算出钞票的宽度，并对机器的运行状态进行判断，比如有无卡纸等；同时也能根据钞票的宽度判断出其面值。
（5）喂钞台、接钞台传感器—红外对管的应用在点钞机的喂钞台和取钞台部分分别有一个作为有无钞票的发射接收红外对管，用来检测是否有钞票放入或取出。
2、如何实现非电量的测量？为实现非电量的电测量，首先要实现从非电量到电量的变换，这一变换是靠传感器来实现的。
传感器接口电路是为了与传感器配合将传感器输出信号转换成低输出电阻的电压信号以方便后续电路的处理。
一般说来，信号都需要进一步放大并滤除噪声。
放大后的信号经模拟/数字变换后得到数字信号，以便于微处理器或微控制器。
微处理器或微控制器是测控系统的核心，它主要有两个作用：一是对数字信号进行进一步处理并将信号输出显示、存储和控制。
二是管理测控系统的各个部分以实现测控系统的智能化，即根据信号和测量条件的变化，自动地改变放大器的增益、滤波器的参数及其它的电路参数。
光调制
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。
调制器能使载波光波的参数随外加信号变化而变化，这些参数包括光波的振幅、位相、频率、偏振、波长等。
承载信息的调制光波在光纤中传输，再由光探测器系统解调，然后检测出所需要的信息。
光调制技术已广泛应用于光通信、测距、光学信息处理、光存储和显示等方面。
一、光调制的方法（1）直接调制法：外加信号直接控制激光器的泵浦源，如控制半导体激光器的注入电流，从而使激光的某些参量得到调制。
根据调制信号的类型，直接调制又可以分为模拟调制和数字调制两种。
a 、半导体激光器（LD ）直接调制半导体激光器处于连续调制工作状态时，无论有无调制信号，由于有直流偏置，所 以功耗较大，甚至引起温升，会影响或破坏器件的正常工作。
b 、半导体发光二极管（LED ）的调制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。
c 、半导体光源的模拟调制无论是使用 LD 或LED 作光源，其调制线性好坏与调制深度m 有关：偏置电流调制电流幅度阈值电流偏置电流调制电流幅度=-=m m :L E D :LD d 、半导体光源的脉冲编码数字调制数字调制是用二进制数字信号“1”和“0”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，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”和“编码”过程，形成一组等幅度、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，再用脉冲编码数字信号对光源进行强度调制。
（2）腔内调制：腔内调制是通过改变激光器的参数如增益、谐振腔Q 值或光程等实现的，主要用于Q开关、腔测空、锁模等技术。
腔内调制又分为被动式与主动式两类。
①被动调制这种调制利用某些吸收波长与激光波长一致的可饱和吸收体(如染料)的非线性吸收特性。
电光调制-7页文档资料
四 电光调制与光信模拟实验袁礼文 10329073 光信02班 C2组 2013-03-13&20一、实验目的通过实验操作以及数据进行分析,学习并掌握电光调制、声光调制、磁光调制的机制及运用，在此基础上进一步了解光通信系统的结构。
二、实验仪器晶体电光调制电源，铌酸锂（LiNbO 3），He-Ne 激光器及可调电源，可旋转偏振片，格兰棱镜，光接收器，有源音响三、实验原理1、电光调制的物理机制电光调制的物理基础是电光效应，目前已发现有两种电光效应，一种是泡克耳斯（Pockels ）效应，即折射率的变化量与外加电场强度的二次方成正比。
另一种是克尔效应，即折射率的变化量与外加电场强度的二次方成比例。
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。
利用泡克耳斯制成的调制器称为泡克耳斯盒，其中的光学介质为非中心对称的压电晶体。
泡克耳斯盒又有纵向调制器和横向调制器两种。
现以实验中使用的电光晶体DKDP （磷酸二氘钾）横向调制为例阐述电光调制的简单机理。
图2 电光调制器原理图原理图如上图所示，晶体位于两个正交的偏振器之间，起偏器 P 1的偏振方向平行于电光晶体的 Y 轴，光没晶体入射光的 X 轴方向加上电场后，它们将旋转 45°变成感应轴X ’、Y ’。
现在对晶体内部的偏振光传播进行讨论。
DKDP 是负单轴晶体，它的折射率椭球方程为： 2221o o ex y z I I I ++= （1） 其中 x 为光轴方向，在平行于光轴的方向加上电压后，折射率椭球方程变为：2226321z o o ex y z E xy I I I γ+++= （2） 对上式进行坐标系的变换，消除式中的交叉项：()()'cos 45'sin 45''/'sin 45'sin 45''/'x x y x y y x y x y z z ⎧=-=-⎪⎪=+=+⎨⎪=⎪⎩（3） 图1可推导出加了电场后，折射率椭球方程为：2222221'''x y zx y z n n n ++= （4） 介电主轴的折射率变为：（5）沿 Z 轴入射的光束经起偏器变为平行于 X 轴的线偏振光，进入晶体后（在 Z ＝0处），被分 解 成 沿 OX ’、OY ’方向的两个分量，其振幅和相伴都相等，用复数表示为E X ’(0)=A, E Y ’(0)=A ，入射光强度为（6）当光通过长度为 L 的晶体后，由于电光效应，E X ’、E Y ’之间就产生一个相位差δ，从而有：（7）光从晶体出射后，通过检偏器后的光是晶体中的光的两分量在 Y 轴上的投影之和，即：（8）从而对应的输出光的强度为：（9） 其中，, 从而可知调制器的透过率为：（10）当从晶体出射的光的两个分量的相位差为δπ=时，外电场所加的电压为半波电压，可求得此时的电压为：（11）从而可知透过率可表示为：（12）当加在晶体上的直流电压为U 0，同时加在晶体上的交流调制信号是sin m U t ω其中Um 是其振幅，ω是调制频率。
幅度调制
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数学表达式
14
Communication
Ch4 调制解调
数学表达式
SM t Amtcosct 0 mtcosct 令A 1，0 0
一般模型
m(t) cosct
浪费！！
9000
530KHz
1600KHz
这一中波波段中就均匀分布着多个电台!!!
上述即为频分复用，它是通过采用不同载波频率的调
制完成的。
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3. 模拟调制的分类
4
Communication
Ch4 调制解调
C. 扩展信号带宽、提高系统抗干扰、 抗衰落能力，还可实现传输带宽与信 噪比之间的互换
时，我们称之为相位调制。即 t K pmt
SPM t cos ct K pmt
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10
Communication
Ch4 调制解调
相位调制分为模拟相位调制PM和数字相位调制
（相移键控PSK、DPSK），如图。
h(t)
SM(t)
频域表达式
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15
Communication
Ch4 调制解调
数学表达式 SM t mt cos ct
一般模型 m(t)
cosct
当调制信号为确知信号时
h(t)
Sm(t)
mt M
cosct c c
mt
11 0010 0
数字
光学中的光学调制方程
光学中的光学调制方程光学调制方程是指光学器件中的光场与外界调制信号之间的关系。
调制的目的不仅是为了实现信号传输，更是为了在光通信、光存储、光传感等领域开展应用。
光调制主要有三种方式：振幅调制（AM）、相位调制（PM）和频率调制（FM）。
本文将重点讲述光在振幅调制和相位调制下的调制方程式。
一、振幅调制的光学方程式振幅调制，即将模拟信号电流与光源亮度的线性关系转化为模拟信号电流与光幅度的线性关系。
通过调制光的幅度，实现对数字信息的传输。
设偏振射线电场为Ei=E0Xcosωt, 其中E0为振幅、X为振幅调制器的调制函数，cosωt为振幅调制的载波信号。
偏振射线通过波片会分为光场电场与垂直于光场电场的电场两个偏振向量，设它们的幅度分别为E1和E2，两个偏振向量所对应的光强分别为I1和I2。
我们可以计算得出调制后光场电场的功率为：P=0.5E02X2 —（ 1）偏振器的作用是为光线带上一个特定方向的偏振向量，使光线沿这一方向传播。
如果偏振器的方向为φ，与光场电场方向的夹角为θ，则有：I=I0sin2 (θ-φ) —（ 2）其中,I0为偏振器透射光强度零偏值。
当I1和I2经过偏振器得到透射时，两个方向上的光强度可分别表示为：I1=I0sin2 (θ-φ)，I2=I0sin2 ((θ+π/2)-φ)代入上式可得：P=0.5E^2_0 [Xcos(ωt)+Xcos(ωt+π)] —（ 3）P=0.5E^2_0 Xcosωt —（ 4）这就得到了光学方程式。
由此可以看出，振幅调制后，光幅度的变化与振幅调制函数X 成正比。
即每个调制函数的周期内，光波频率不变，振幅发生变化，从而实现模拟信号的光电转换。
二、相位调制的光学方程式相位调制，即将模拟信号电流与光源相位的线性关系转化为模拟信号电流与光相位的线性关系。
通过调制光的相位，实现对数字信息的传输。
设照射在相位调制器上的光波通过器件后，产生一个加性相位变化量（其中包括直流分量和调制分量），并把光场电场变为E=E0cos（ωt+Φ），其中Φ为调制后的相位变化量。
电光调制——精选推荐
电光调制电光调制四电光调制与光信模拟实验袁礼⽂10329073 光信02班C2组2013-03-13&20 ⼀、实验⽬的通过实验操作以及数据进⾏分析,学习并掌握电光调制、声光调制、磁光调制的机制及运⽤，在此基础上进⼀步了解光通信系统的结构。
⼆、实验仪器晶体电光调制电源，铌酸锂（LiNbO3），He-Ne 激光器及可调电源，可旋转偏振⽚，格兰棱镜，光接收器，有源⾳响图三、实验原理1、电光调制的物理机制电光调制的物理基础是电光效应，⽬前已发现有两种电光效应，⼀种是泡克⽿斯（Pockels）效应，即折射率的变化量与外加电场强度的⼆次⽅成正⽐。
另⼀种是克尔效应，即折射率的变化量与外加电场强度的⼆次⽅成⽐例。
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。
利⽤泡克⽿斯制成的调制器称为泡克⽿斯盒，其中的光学介质为⾮中⼼对称的压电晶体。
泡克⽿斯盒⼜有纵向调制器和横向调制器两种。
现以实验中使⽤的电光晶体DKDP （磷酸⼆氘钾）横向调制为例阐述电光调制的简单机理。
图2 电光调制器原理图原理图如上图所⽰，晶体位于两个正交的偏振器之间，起偏器 P 1的偏振⽅向平⾏于电光晶体的 Y 轴，光没晶体⼊射光的 X 轴⽅向加上电场后，它们将旋转 45°变成感应轴X ’、Y ’。
现在对晶体内部的偏振光传播进⾏讨论。
DKDP是负单轴晶体，它的折射率椭球⽅程为：2221o o e x y z I I I ++=（1）其中 x 为光轴⽅向，在平⾏于光轴的⽅向加上电压后，折射率椭球⽅程变为：2226321z o o e x y z E xy I II γ+++=（2）对上式进⾏坐标系的变换，消除式中的交叉项：()()'cos 45'sin 45''/2'sin 45'sin 45''/2'x x y x y y x y x y z z ?=-=-??=+=+??=??o o o o（3）可推导出加了电场后，折射率椭球⽅程为：2222221'''x y z x y z n n n ++=（4）介电主轴的折射率变为：（5）沿 Z 轴⼊射的光束经起偏器变为平⾏于 X轴的线偏振光，进⼊晶体后（在 Z ＝0处），被分解成沿 OX ’、OY ’⽅向的两个分量，其振幅和相伴都相等，⽤复数表⽰为E X’(0)=A, E Y’(0)=A，⼊射光强度为（6）当光通过长度为L 的晶体后，由于电光效应，E X’、E Y’之间就产⽣⼀个相位差δ，从⽽有：（7）光从晶体出射后，通过检偏器后的光是晶体中的光的两分量在Y 轴上的投影之和，即：（8）从⽽对应的输出光的强度为：（9）其中，, 从⽽可知调制器的透过率为：（10）当从晶体出射的光的两个分量的相位差为δπ=时，外电场所加的电压为半波电压，可求得此时的电压为：（11）从⽽可知透过率可表⽰为：（12）当加在晶体上的直流电压为U 0，同时加在晶体上的交流调制信号是sin m U t ω其中Um 是其振幅，ω是调制频率。
2-4激光器的工作原理-非均匀增宽型介质的增益系数与增益饱和
n0 (1)d1
n0
(
m
2kT
)1
2
exp[
mc2 (1 0
2k
T
2 0
)2
] c
0
d1
n0
fD
(1)
d1
能够辐射中心频率为 1 的单位频率间隔内的粒子数密度反转分布值为：
n0 (1) n0 fD (1)
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三、小讯号增益系数
近的粒子数密度反转分布饱和；同样沿负轴传播的光波I也会使速度为-v1（其
对应的频率为1 (1 v1 c) 0）的粒子数密度反转分布饱和，即沿腔轴负方向传
播的频率为 1 的光波将在增益曲线上 2 的附近烧一个孔。如图（2.6.3）
所示。
GD ( )
2 0 1
图（2.6.3）非均匀增宽型激光器中增益饱和
饱
间隔内粒子数反转分布值 n( )的饱和效应规律为：
n(
)
1
n0 I
( ) f (1
)
Is f ( )
1
n0
I f (1)
Is f ( )
fD
(
)
(1
(1
)2
(
2
)2
)2 (1 I )(
Is 2
)2
n0
fD
(
)
和
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n0 B21
c
h
2
0
fD (1)
(
d1 1)2 (
2)2
数
光纤传输原理2-4 [兼容模式]
![光纤传输原理2-4 [兼容模式]](https://img.taocdn.com/s3/m/e749ad070740be1e650e9a4b.png)
与下列方程联立
U a k n a
2 2 2 2 2 0 1 2
W a k n a
2
2
2
2 0
2 2
2
可解得线偏振模的特征参数U、W，这个方程的第 n个根所确定的模式称为LPmn模 当 W 0时，导模将趋于截止。LP0n模的归一化 参数为U=0和一阶贝塞尔函数的根。
如果将零作为一阶贝塞尔函数的第零个根，则LP0n 模的归一化截止参数为：
与截止条件相对应的重要参数是归一化频率V：
V k0 a n n
2 1
2 1/ 2 2
2a 2 2 n1 n2
1/ 2
2a NA
它决定了光纤可支持的模式总数。下图给出 了b/k和V的关系。
如图所示，当V ≤ 2.405 时，光纤只支持一个 模式，即所谓的单模 传输。让 V变小的一个 途径就是减小光 纤半径 a 的值。故单 模光纤半径比多模光 纤小
2 U n1 J m a r , r a 2 2 J 1 A m U * 2 Sz Ey H x cos m 2 2Z 0 W n K 2 r 2 m a , ra 2 K m W
1 * Pi E y H x r d d r 0 0 2 a 2 1 n1 A 2 2 U 2 J ( r ) d r cos m d m 2 0 0 2 Z 0 J m (U ) a
虚几 线个 为低 磁阶 力模 线的 场 型 实 线 为 电 力 线 ， (
2.5 阶跃光纤中的LP模
LP模（linear polarization mode)是英国学者 D.Gloge提出的，
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
光参量下转换
光参量下转换光参量下转换是一项令人兴奋的技术，它在光学领域有着广泛的应用。
在这篇文章中，我们将全面介绍光参量下转换的原理、应用和未来发展方向，希望能给读者带来一些指导意义。
光参量下转换是指利用非线性光学效应，将一个光信号转换成另一个光信号的过程。
在这个过程中，光子的频率、波长、相位等参数可以被调控和转换，从而实现光信号的调制和转换。
这种转换过程通常是通过非线性光学晶体或光纤来实现的，其中最常用的非线性效应包括二次谐波生成、差频产生和和频产生等。
光参量下转换技术广泛应用于光通信、光信息处理、光谱学等领域。
在光通信中，光参量下转换可以实现光信号的频率转换、相位调制和波长调制，从而实现光信号的调制与解调。
在光信息处理中，光参量下转换可以实现光信号的调制、切换和复用，从而实现光信息的传输和处理。
在光谱学中，光参量下转换可以实现光信号的频率扫描和频率测量，从而实现光谱分析和频谱测量。
值得一提的是，光参量下转换技术还在量子光学领域有着重要的应用。
量子光学研究的核心之一是实现光子的操控和转换，而光参量下转换正是一种可行的方法。
通过利用光参量下转换技术，可以实现光子的量子态转换、量子门操作和量子纠缠等，从而为量子信息处理和量子通信提供了重要的工具和平台。
未来，光参量下转换技术还有很大的发展空间。
一方面，随着非线性光学晶体和光纤材料的不断发展和优化，光参量下转换的效率和可调控能力将会不断提高。
另一方面，随着量子科学和技术的发展，光参量下转换技术将在量子信息处理、量子计算和量子通信等领域发挥更重要的作用。
总之，光参量下转换是一项引人注目的光学技术，它在光学领域有着广泛的应用前景。
通过光参量下转换技术，我们可以实现光信号的调制、转换和操控，为光通信、光信息处理和量子光学等领域提供了重要的工具和平台。
未来，光参量下转换技术还有很大的发展潜力，我们有理由相信它将在光学领域发挥更重要的作用。
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参考物
被测物
光电探测器
图2.42吉曼干涉仪
探测器
固定反射镜
激光器
气室 可动反射镜
图2.43马赫泽德干涉仪
2.4.3光学频率调制
光学频率调制是被测物理量载荷在光学差频上。 根据光频差的获得和差频信号检测方式不同，大致可以分为
三种类型：参量调频、固定频移和直接调频。
一、光频移与差频检测
外差干涉仪的基本特点是两干涉光束之间的频移使得干
fr
外差测量
测频
F(Δf)
Δf
调制
fr± Δf (a) 时间调制 光载波 fr(t) 外差测量
Δf
调制
fr± Δf (b)
Δf(t)
测频
F(Δf)
Δf
调制 (c)
fr(t,Δf)
图2.45差频检测
二、参量的频率调制 1.多普勒效应和运动差频检测
运动物体能改变入射于其上的光束的波动性质(例如光学频率) 这种现象称 作多普勒效应。
号的特征，通过检测中频信号就能最终解调出被传送的信息。
把这种技术引伸到光频波段，就发展成多种形式的光外差探测
技术。
光外差探测是将含有被测信息的相干光调制波
和作为本机振荡的光波在满足波前匹配条件下，
在光电探测器上进行光学混频，探测器的输出
是频率为二光波频率差的拍频信号。
E0 (t ) a0 sin(0t 0 )
其中一束光波进行调制，用外差检测其差频信号就可以测定被
测参量。这种方法有时也称作光学超外差。
(3)直接调频 利用可进行频率调制的激光器如半导体激光器产生随时间变化
的调频参考光束。被测参量对其中一束光波作二次调制，检测
外差信号可解调出被测参量值。
光载波 r± Δf
光载波
fr
外差测量
测频
F(Δf)
光载波
ω+Δω 1/4波片 (c)
旋转1/4波片
ω+2πf
0级
图2.44光学频移
2.差频检测方法
(1) 参量调频 被测参量直接对参考光的频率进行调制，形成与参考光有定频 差的信号光，检测差额信号的频率可以测定被测参量值。
(2)固定频移 使用频移器件使参考光波相对于信号光形成一固定的频率偏移，
或利用双频光源形成有一定频差的两束相干光束。被测信号对
1.光外差探测的空间条件 要求信号光和本振光的波前在光探测器光敏面上保持相同的相 位关系，即信号光和本振光的波前必须重合，必须保持信号光
和本振光在空间上的角准直(或共轴)关系。
定义中频输出比最大值小10%时的主光线夹角为失配角：
1 d
2.光外差探测的频率条件 要求两束光具有高度的单色性和频率稳定性。 3.光外差探测的偏振匹配
2.4.1光外差技术
在可见光和近紫外波段，由于光频很高(例如达到
1016Hz)，每个光子的能量很大，较容易探测出单个光子，
在这种情况下光外差技术并不特别有用，只要使用直接
探测的方法就可以解决。
在波长较长的情况下，由于缺乏可见光波段那样具有极高灵
敏度的探测器，用直接探测法无法实现量子噪声限探测，只有
若Φ1=10-10W， Φ0=10-3W，则G=4×107
2）具有很高的信噪比
只考虑散粒噪声和热噪声，外差光电流的均方值为：
I m 2 01
2 2
e h
当本振光功率很大时，即， Φ0>> Φ1 ，本振散粒噪声远大于
其它噪声，则噪声功率均方值为： I N 2 2ef (
E1 (t ) a1 sin(1t 1 )
若信号光场和本振光场分别为：
E1 (t ) a1 sin(1t 1 )
E0 (t ) a0 sin(0t 0 )
若光波垂直探测器光敏面入射，则其上的总光场分布为：
E(t ) a0 sin(0t 0 ) a1 sin(1t 1 )
利用光学多普勒效应形成的多普勒频移可以测量物体的运动参量包括位移、
速度和加速度等。典型的应用是激光多普勒速度计和流速计。
L1 M2 v M3 P 激光器 L2 M1 (a) M1 v 激光器 P 探测器 M2 (b) θ D (c) v α 探测器 M2 P 激光器 M1 v 探测器
图2.47多普勒测速
混频后，探测器光敏面上光通量为：
| E0 (t ) E1 (t ) |2 (a0 2 a12 ) a12 cos(21t 21 ) a0 2 cos(20t 20 ) 2a0 a1 cos[(0 1 )t (0 1 )] 2a0 a1 cos[(0 1 )t (0 1 )]
用光外差技术才能使系统工作于量子噪声限。因此近、中红外
波段应用光外差技术能够探测极微弱的光信号。
由于光外差探测技术具有很多独特的优点，在可见光波段同
样也得到广泛的应用。
一、光外差原理
在电磁波谱的射频和微波波段，外差接收技术采用被信息调
制的高频载波在接收端与有一定频率的本机振荡信号相混频，
得到频率为二者之差的中频信号，这个中频信号保持了调制信
2.固定频移的频率调制
M3 f2 F2
激光器
f1 f2
M1 F1 M2 f1± Δf
f1
M4
vf2)± Δf ± ΔN
积分
图2.48双频干涉仪
3.直接光频调制
光隔离器 半导体激光器 Ls
Lr 测量镜
Δi(t) 调制器 Δφn(t) 探测器
图2.49直接调频光干涉测量
可求出信噪比及最小可探测功率为：
e ) 0 h
SNR
Im2 IN
2
1 hf
SNR 1 1min
h
f
也称为外差探测的量子探测极限。
例子：
2.83 1013 Hz(10.6μm), 0.1, f 1Hz
NEP 1min 1.8 1019 W
涉场强度随时间作正弦变化，其变化频率是两束光的频差。 各种外差干涉仪技术的主要区别在于采用不同的方法来产 生和测量两束相干光之间的频移。
1.产生光学频移的方法
多普勒频移、塞曼频移、旋转1/4波片、移动衍射光栅、声光 布拉格器件等。
ω ω-Δω 外加磁场 (a) (b) +1级ω+2πv ω v (d) f (e) ω v ω ω+Δω ω
外差探测比直接探测的NEP小2×10-4倍。 讨论：
1)不是越大越好， Φ0↑则，散粒噪声↑ →SNR ↓，因此Φ0要适 当选取。 2)满足信号处理的前提下，Δf越小越好。
3)外差探测可以获得光信号的全部信息；而直接探测仅能探测
信号光的幅值。
4)滤波性能好：空间滤波，光谱滤波。
二、光外差探测的匹配条件
第二章信息的光学变换
2.1信息的光学调制变换
2.2时域调制变换原理
2.3空域调制变换原理
2.4光学参量调制变换原理
2.4光学参量调制变换原理
2.4.1光外差技术
2.4.2光学位相调制
2.4.3光学频率调制
2.4光学参量调制变换原理
描述光波的所有基本参量都可能受到调制，有时几个参量
同时受到调制。这些参量包括光的强度、相位、频率、颜 色(或频谱分布)、偏振。
这些光学参量最后必须作为光强的变化来探测，因为光探
测器只能探测光的强度。
光学参量调制技术分为光振幅调制(AM)、相位调制
(PM)、频率调制(FM)、偏振调制(POM)、光波谱调制
(SM)。
利用光的干涉现象将上述参量转化为光探测器能敏感的
较低频率的光电载波信号，作用在于把光波的相位关系
或频率关系以及它们随时间的变化，以光强度空间分布 或光强随时间变化的形式检测出来，这个作用也称作相 幅变换。
对于工作在响应度为R的线性区内的探测器输出信号为：
I a0a1 cos(t )
外差探测的特点
1）探测灵敏度高
直接探测输出信号：I 外差探测输出信号：
s
1
I m 2 01
外差探测信号功率转换比为：
I m 2 4201 40 G 2 2 2 Is 1 1
为了获得最大的中频输出，要求两束光的偏振方向平行且保
持稳定。
2.4.2光学位相调制
一、基本原理
光学相位调制是基于光的干涉原理，它利用二束相干光束的
叠加而产生的干涉条纹随被测量的变化而变化的现象，使被测
量载荷在光的相位之上。
二、光学干涉仪位相差调制
M1 Δx 激光器 M2 传感器
探测器
图2.41迈克尔逊干涉仪