电光调制与声光调制.doc

电光调制与声光调制
实验目的：
1了解调制种类，理解各种调制原理。
2熟练掌握电光调制和声光调制间的区别。
2能进行简单的电光调制和声光调制实验设计，为后续的激光语音传输实验打下理论基础。
将传输的信息加载于激光辐射的过程称为激光调制。光调制指的是使光信号的一个或几个特征参量按被传送信息的特征变化，以实现信息检测传送目的的方法。光调制可分为强度调制、相位调制、偏振调制、频率和波长调制。下面将分别介绍各种调制的原理和方法。
1光强度调制
光强度调制是以光的强度作为调制对象，利用外界因素使待测的直流或缓慢变化的光信号转换成以某一较快频率变化的光信号，这样，就可采用交流选频放大器放大，然后把待测的量连续测量出来。
2光相位调制
利用外界因素改变光波的相位，通过检测相位变化来测量物理量的原理称为光相位调制。光波的相位由光传播的物理长度、传播介质的折射率及其分布等参数决定，也就是说改变上述参量即可产生光波相位的变化，实现相位调制。
3光偏振调制
利用偏振光振动面旋转，实现光调制最简单的方法是用两块偏振器相对转动，按马吕斯定理，输出光强为，式中为两偏振器主平面一致时所通过的光强；α为两偏振器主平面间的夹角。
4频率和波长调制
利用外界因素改变光的频率或光的波长，通过检测光的频率或光的波长的变化来测量外界的物理量的原理，称为光的频率和波长调制。
实验内容：
一、电光调制
利用电光效应实现的调制叫电光调制。图1是典型的电光强度调制器示意图，电光晶体(例如KDP晶体)放在一对正交偏振器之间，对晶体实行纵向运用，则加电场后的晶体感应主轴x1′、x2′方向，相对晶轴x1、x2方向旋转45°，并与起偏器的偏振轴P1成45°夹角。

图1电光强度调制器示意图
通过计算得到检偏器输出的光强I与通过起偏器输入的光强之比为

当光路中未插入1/4波片时，上式的即是电光晶体的电光延迟。且
所以
称为光强透过率(%)，它随外加电压的变化如图2所示

图2光强透过率随外加电压变化图
如果外加电压是正弦信号
则透过率为

该式说明，一般的输出调制信号不是正弦信号，它们发生了畸变，如图2中曲线3所示。如果在光路中插入1/4波片，则光通过调制器后的总相位差是(π/2+φ)，因此有

工作点由O移到A点。在弱信号调制时，<<，上式可近似表示为
可见，当插入1/4波片后，一个小的正弦调制电压将引起透射光强在50%透射点附近作正弦变化，如图2中的曲线4所示。从而实现了输出调制信号相对于输入信号的线性响应。
实验步骤：
1搭建如图1所示的电光调制系统。
2记录输入光信号的幅度和频率，调节加在KDP晶体上的电压类型，记录输出光信号的幅度和频率。
二声光调制
超声波是一种弹性波，当它通过介质时，介质中的各点将出现随时间和空间周期性变化的弹性应变。由于弹光效应，介质中各点的折射率也会产生相应的疏密周期性变化。这样声光介质在超声波的作用下，就变成了一个等效的相位光栅，当光通过有超声波作用的介质时，相位就要受到调制，其结果如同它通过一个衍射光栅，光栅间距等于声波波长，光束通过这个光栅时就要产生衍射，这就是声光效应。衍射光的强度、频率和方向将随超声波而变化。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向前推进。介质中折射率的变化如图3所示，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。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。

图3介质中折射率随超声波的变化图
按照超声波频率的高低和介质中声光相互作用长度的不同，由声光效应产生的衍射有两种常用的极端情况：拉曼—奈斯(Raman-Nath)衍射和布拉格衍射。衡量这两类衍射的参量是

式中，L是声光相互作用长度；λ是通过声光介质的光波长；λs是超声波长。当Q≤0.3时，为拉曼—奈斯衍射。当Q≥4π时，为布拉格衍射。而在0.3<Q<4π的中间区内，衍射现象较为复杂，通常的声光器件均不工作在这个范围内。
1拉曼－奈斯衍射
在超声波频率较低，且声光介质的厚度L又比较小的情况下，当激光垂直于超声场的传播方向入射到声光介质中时，将产生明显的拉曼－奈斯声光衍射现象，如图4所示。在这种情况下，超声光栅类似于平面光栅，当光通过时，将产生多级衍射，而且各级衍射的极大值对称分布在零级条纹的两侧，其强度依次递减。

图4拉曼－奈斯衍射图
理论基础
超