光學(xué)信號的調(diào)制

1、 華中科技大學(xué)華中科技大學(xué) 第五章第五章 信息的光學(xué)變換信息的光學(xué)變換5.2 5.2 光信號調(diào)制的基本原理光信號調(diào)制的基本原理5.3 5.3 光信號調(diào)制的基本方法光信號調(diào)制的基本方法5.4 5.4 直接探測和相干探測直接探測和相干探測5.1 5.1 光信號調(diào)制的概述光信號調(diào)制的概述光電器件變換電路光電變換電路處理探測傳輸控制計算顯示存儲電路處理光源光學(xué)系統(tǒng)變換對象光學(xué)變換光學(xué)變換形成能被光電探測器形成能被光電探測器接收、便于后續(xù)電學(xué)接收、便于后續(xù)電學(xué)處理的光學(xué)信息。處理的光學(xué)信息。 光學(xué)信號變換光學(xué)信號變換 舉例舉例光強(qiáng)度光強(qiáng)度調(diào)制，調(diào)制， 光纖通信系統(tǒng)光纖通信系統(tǒng) 光學(xué)信號變換光學(xué)信號變換

2、舉例舉例光機(jī)光機(jī)掃描掃描擴(kuò)大視場擴(kuò)大視場光譜光譜濾波濾波消除背景輻射干擾消除背景輻射干擾色散色散光柵實(shí)現(xiàn)光譜的空間分離光柵實(shí)現(xiàn)光譜的空間分離光強(qiáng)度光強(qiáng)度調(diào)制，調(diào)制， 光電系統(tǒng)中光學(xué)信號變換有著重要的意義，其光電系統(tǒng)中光學(xué)信號變換有著重要的意義，其變換方法變換方法也很多。重點(diǎn)講述光信號的強(qiáng)度、頻率、相位和偏振等也很多。重點(diǎn)講述光信號的強(qiáng)度、頻率、相位和偏振等參數(shù)的參數(shù)的調(diào)制調(diào)制。 光波是信息的載體，通常稱為光波是信息的載體，通常稱為光載波光載波。1. 1. 載波的特征參數(shù)？載波的特征參數(shù)？ 2. 2. 調(diào)制：一次調(diào)制和二次調(diào)制調(diào)制：一次調(diào)制和二次調(diào)制 3. 3. 二次調(diào)制的意義二次調(diào)制的意義 1

3、.1.光載波的光載波的特征參數(shù)特征參數(shù) 人眼和探測器起作用的是光波的電場強(qiáng)度人眼和探測器起作用的是光波的電場強(qiáng)度 00c o s( 2)EEv t振幅振幅頻率頻率相位相位特征參數(shù)：特征參數(shù)： 光強(qiáng)、光強(qiáng)、振幅、頻率、相位、振幅、頻率、相位、 偏振方向偏振方向、傳播方傳播方向向， 20IE 光的強(qiáng)度光的強(qiáng)度 （輻通量輻通量） 光強(qiáng)光強(qiáng)是使用最為廣是使用最為廣泛的特征參數(shù)泛的特征參數(shù)2. 2. 調(diào)制：一次調(diào)制和二次調(diào)制調(diào)制：一次調(diào)制和二次調(diào)制 光學(xué)調(diào)制光學(xué)調(diào)制是指改變光載波的一個或者幾個特征參數(shù)是指改變光載波的一個或者幾個特征參數(shù)的過程。的過程。 特征參數(shù)：特征參數(shù)： 光強(qiáng)、光強(qiáng)、振幅、頻率、相位

4、、振幅、頻率、相位、 偏振方向偏振方向、傳播方傳播方向向， 一次調(diào)制一次調(diào)制二次調(diào)制二次調(diào)制 光學(xué)調(diào)制光學(xué)調(diào)制例例1.1.衛(wèi)星遙感農(nóng)作物產(chǎn)量衛(wèi)星遙感農(nóng)作物產(chǎn)量 地面植物反射太陽光的光譜，生長狀況信息地面植物反射太陽光的光譜，生長狀況信息 將信息將信息直接直接加載到光載波上的調(diào)制，稱為加載到光載波上的調(diào)制，稱為一次調(diào)制一次調(diào)制 例例2 2 光纖通信系統(tǒng)光纖通信系統(tǒng) 將聲音、圖像信息加載到光波上將聲音、圖像信息加載到光波上 將光載波先將光載波先人為地調(diào)制成隨時間或空間變化（人為地調(diào)制成隨時間或空間變化（按確按確定的規(guī)律變換載波信號）定的規(guī)律變換載波信號），然后再將被測信息調(diào)制然后再將被測信息調(diào)制到

5、光載波上，稱為到光載波上，稱為二次調(diào)制二次調(diào)制例例3 3：利用調(diào)制光測量液體濃度：利用調(diào)制光測量液體濃度 液體濃度（信息）對光強(qiáng)參數(shù)的調(diào)制液體濃度（信息）對光強(qiáng)參數(shù)的調(diào)制 一次調(diào)制一次調(diào)制調(diào)制盤（確定時間規(guī)律）對光強(qiáng)參數(shù)的調(diào)制為調(diào)制盤（確定時間規(guī)律）對光強(qiáng)參數(shù)的調(diào)制為 二次調(diào)制二次調(diào)制 二次調(diào)制二次調(diào)制的意義？的意義？聲音、圖像聲音、圖像加載信息加載信息抑制干擾抑制干擾改善品質(zhì)改善品質(zhì)5.1 5.1 光信號調(diào)制的概述光信號調(diào)制的概述 小結(jié)小結(jié)光波是信息的載體，通常稱為光波是信息的載體，通常稱為光載波光載波。光學(xué)調(diào)制光學(xué)調(diào)制是是指改變光載波的一個或者幾個特征參數(shù)的過程。指改變光載波的一個或者幾個

6、特征參數(shù)的過程。 將信息將信息直接直接加載到光載波上的調(diào)制，稱為加載到光載波上的調(diào)制，稱為一次調(diào)制一次調(diào)制 將光載波先將光載波先人為地調(diào)制成隨時間或空間變化（人為地調(diào)制成隨時間或空間變化（按確按確定的規(guī)律變換載波信號）定的規(guī)律變換載波信號），然后再將被測信息調(diào)制然后再將被測信息調(diào)制到光載波上，稱為到光載波上，稱為二次調(diào)制二次調(diào)制 光電系統(tǒng)中常用的調(diào)制光電系統(tǒng)中常用的調(diào)制大多是二次調(diào)制大多是二次調(diào)制20IE 光的強(qiáng)度光的強(qiáng)度 （輻通量）（輻通量） 光強(qiáng)光強(qiáng)是使用最為廣是使用最為廣泛的調(diào)制參數(shù)泛的調(diào)制參數(shù)一、一、 模擬調(diào)制模擬調(diào)制二、二、 脈沖調(diào)制脈沖調(diào)制三、三、 編碼調(diào)制編碼調(diào)制以光信號的以光信

7、號的強(qiáng)度（強(qiáng)度（輻通量輻通量）調(diào)制）調(diào)制為例討論，適用為例討論，適用于光波的于光波的振幅振幅、相位相位和和頻率頻率等參數(shù)的調(diào)制等參數(shù)的調(diào)制 一、模擬調(diào)制一、模擬調(diào)制0m( )sin()tt0m( ) ( )sin ( ) ( )tV tV t tV t振幅調(diào)制振幅調(diào)制(AM) 頻率調(diào)制頻率調(diào)制(FM) 相位調(diào)制相位調(diào)制(PM) 又稱為又稱為連續(xù)波調(diào)制連續(xù)波調(diào)制1. 振幅調(diào)制振幅調(diào)制(AM) 載 波調(diào)制波調(diào)幅波信息信息 振幅調(diào)制：振幅調(diào)制：載波的包絡(luò)變化載波的包絡(luò)變化信息信息 例例. .利用調(diào)制光測量液體的濃度利用調(diào)制光測量液體的濃度 載波載波 信息信息 思考：思考：如果溶液的如果溶液的濃度逐步

8、加大，調(diào)制濃度逐步加大，調(diào)制波形？波形？ 0m( )1( )sin()tmV tt( )sin()V tt0m( )1sin()sin()tmtt載波載波 信息信息 振幅振幅討論討論：（：（1）調(diào)制指數(shù)調(diào)制指數(shù)m 對調(diào)幅波形的影響對調(diào)幅波形的影響0m( )1( )sin()tmV tt( )sin()V tt0m( )1sin()sin()tmtt0mm( )sin()1cos()cos()2ttmtt載波載波 信息信息 振幅振幅討論討論：（：（2）調(diào)幅對頻譜的影響調(diào)幅對頻譜的影響0mm( )sin()1cos()cos()2ttmtt調(diào)幅波頻譜調(diào)幅波頻譜( )sin()V tt信號變換信號變

9、換頻率搬移頻率搬移 調(diào)幅波帶寬調(diào)幅波帶寬 B=2F信息信息“頻率頻率” 載波載波“頻率頻率” 調(diào)幅波頻譜：調(diào)幅波頻譜： 單一頻率調(diào)制信號單一頻率調(diào)制信號 調(diào)幅波頻譜：調(diào)幅波頻譜： 多個頻率調(diào)制信號多個頻率調(diào)制信號 振幅調(diào)制應(yīng)用實(shí)例振幅調(diào)制應(yīng)用實(shí)例 振幅調(diào)制應(yīng)用實(shí)例振幅調(diào)制應(yīng)用實(shí)例 2.頻率調(diào)制頻率調(diào)制(FM) 載波載波 信息信息 頻率調(diào)制：頻率調(diào)制：載波的頻率變化載波的頻率變化信息信息 0 ( )( )V tV t0m00( )sin( )tttV t dt00( )sinsin()mfttmtffmF-頻率調(diào)制指數(shù)頻率調(diào)制指數(shù) mf 1 寬帶調(diào)頻寬帶調(diào)頻mf 1 寬帶調(diào)頻寬帶調(diào)頻mf 1窄帶

10、窄帶調(diào)頻調(diào)頻 討論：討論： 調(diào)制指數(shù)調(diào)制指數(shù)m 對調(diào)頻波形的影響對調(diào)頻波形的影響例：例：FM立體聲廣播立體聲廣播載波載波: 91.8MHz音頻音頻: 周期性輻射通量周期性輻射通量 （1） 靜止目標(biāo)像靜止目標(biāo)像交流信號，抑制交流信號，抑制噪聲噪聲 和光源波動和光源波動的影響；的影響； （2） 進(jìn)行進(jìn)行空間濾波空間濾波，抑制背景噪聲；，抑制背景噪聲；（3） 提供目標(biāo)提供目標(biāo)方位空間信息方位空間信息。2)2)光柵調(diào)制光柵調(diào)制光柵光柵是具有是具有周期性周期性空間結(jié)構(gòu)或光學(xué)性能（如透射率、空間結(jié)構(gòu)或光學(xué)性能（如透射率、反射率等）的光學(xué)元件。反射率等）的光學(xué)元件。 計量光柵計量光柵（空間周期（空間周期P

11、） 衍射光柵衍射光柵（空間周期（空間周期P ） 光柵莫爾條紋光柵莫爾條紋典型的計量光柵典型的計量光柵結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)：小夾角小夾角主光柵主光柵-定光柵定光柵指示光柵指示光柵-動光柵動光柵光柵莫爾條紋光柵莫爾條紋典型的計量光柵典型的計量光柵結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)：t光柵莫爾條紋光柵莫爾條紋原理：原理：光通量明暗交替變化光通量明暗交替變化兩光柵移動，莫爾條紋移動兩光柵移動，莫爾條紋移動光柵位移信息光強(qiáng)信號光柵位移信息光強(qiáng)信號mcos(2)xP用用計量光柵計量光柵實(shí)現(xiàn)光通量實(shí)現(xiàn)光通量幅度幅度調(diào)制：調(diào)制： 莫爾條紋圖案莫爾條紋圖案 光柵每移動一個光柵每移動一個柵柵距距P，條紋就跟著，條紋就跟著移動一個條紋寬度移動一個條

12、紋寬度B。mcos(2)xPxNP 2)2)光柵調(diào)制光柵調(diào)制應(yīng)用舉例：應(yīng)用舉例：光柵光柵線位移傳感器線位移傳感器測量范圍：測量范圍： 100mm-3000mm 分分 辨辨 率：率： 10、 5、 1、 0.5、 0.1 m 2)2)光柵調(diào)制光柵調(diào)制主光柵主光柵-定光柵定光柵指示光柵指示光柵-動光柵動光柵刻線密度刻線密度 - 測量精度測量精度 ( 10、25、50、100、125線線/mm )3. 3. 光電子調(diào)制光電子調(diào)制1 1）電光調(diào)制）電光調(diào)制 2 2）聲光調(diào)制）聲光調(diào)制3 3）磁光調(diào)制）磁光調(diào)制1 1） 電光調(diào)制電光調(diào)制電光效應(yīng)電光效應(yīng) 是指某些晶體在電場的作用下，具有是指某些晶體在電場

13、的作用下，具有雙雙折射效應(yīng)折射效應(yīng)，其雙折射效應(yīng)的大小與電場強(qiáng)度有關(guān)，其雙折射效應(yīng)的大小與電場強(qiáng)度有關(guān)電光調(diào)制器電光調(diào)制器 是指利用晶體的電光效應(yīng)制成的調(diào)制器是指利用晶體的電光效應(yīng)制成的調(diào)制器光強(qiáng)度調(diào)制光強(qiáng)度調(diào)制基本思路：基本思路：電光調(diào)制器電光調(diào)制器 輸入光輸入光（恒定強(qiáng)度）（恒定強(qiáng)度） 輸出光輸出光（交變強(qiáng)度）（交變強(qiáng)度） 變化的電場變化的電場電光調(diào)制電光調(diào)制原理：原理： 3632oUnUU附加相位差附加相位差可以證明：可以證明：輸出光強(qiáng)輸出光強(qiáng)與與輸入光強(qiáng)輸入光強(qiáng)之比之比（透過率）（透過率）)2(sin)()(2inIoutI電光調(diào)制器電光調(diào)制器小結(jié)小結(jié)調(diào)制頻率調(diào)制頻率10GHz10GH

14、z，理論上可達(dá)，理論上可達(dá)120GHz 120GHz 可以作成幾乎沒有慣性的可以作成幾乎沒有慣性的光閥光閥 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： 透光比（光傳輸比）小于透光比（光傳輸比）小于1 1 調(diào)制電壓高（半波電壓幾千伏）調(diào)制電壓高（半波電壓幾千伏） 應(yīng)用舉例：應(yīng)用舉例： 遠(yuǎn)距離激光測距遠(yuǎn)距離激光測距 光強(qiáng)度調(diào)制光強(qiáng)度調(diào)制2 2） 聲光調(diào)制聲光調(diào)制 (1) (1) 聲光效應(yīng)聲光效應(yīng) (2) (2) 聲光效應(yīng)的兩種類型聲光效應(yīng)的兩種類型 (3) (3) 聲光調(diào)制器聲光調(diào)制器 (1) 聲光效應(yīng)聲光效應(yīng) 當(dāng)聲波在介質(zhì)中傳播時，會引起介質(zhì)密度（折當(dāng)聲波在介質(zhì)中傳播時，會引起介質(zhì)密度（折射率）發(fā)生疏密交替的射

15、率）發(fā)生疏密交替的周期性變化周期性變化聲光柵聲光柵聲光柵聲光柵衍射光柵衍射光柵當(dāng)聲波在介質(zhì)中傳播時，會引起介質(zhì)密度（折當(dāng)聲波在介質(zhì)中傳播時，會引起介質(zhì)密度（折射率）發(fā)生疏密交替的射率）發(fā)生疏密交替的周期性變化周期性變化聲光柵聲光柵行波行波聲光柵柵聲光柵柵面在空間面在空間移動移動 駐波駐波聲光柵固聲光柵固定定不移動不移動 聲光柵聲光柵衍射光柵衍射光柵當(dāng)光波通過當(dāng)光波通過聲光柵聲光柵時，衍射光的強(qiáng)度、頻率、方向時，衍射光的強(qiáng)度、頻率、方向等隨超聲場變化等隨超聲場變化聲光效應(yīng)。聲光效應(yīng)。喇曼奈斯衍射：喇曼奈斯衍射： 布拉格衍射：布拉格衍射： 條件：條件：超聲波頻率較超聲波頻率較低低，聲光作用長度聲光

16、作用長度L較小較小，光束，光束垂直垂直聲波傳輸方向聲波傳輸方向條件：條件：超聲波頻率較超聲波頻率較高高、聲光、聲光作用長度作用長度L較大較大，光束與聲波波，光束與聲波波面間以一定的角度面間以一定的角度斜入射斜入射 (2) 兩種聲光效應(yīng)兩種聲光效應(yīng) 喇曼奈斯衍射：喇曼奈斯衍射： 布拉格衍射：布拉格衍射： 特點(diǎn)：特點(diǎn)：平面光柵平面光柵，多級衍，多級衍射，射，零級光最強(qiáng)零級光最強(qiáng)，其他級衍，其他級衍射光對稱地分布在零級光兩射光對稱地分布在零級光兩側(cè)，光強(qiáng)依次遞減。側(cè)，光強(qiáng)依次遞減。 特點(diǎn)：特點(diǎn)：體光柵體光柵，只出現(xiàn)，只出現(xiàn)零級和一級衍射光零級和一級衍射光;超聲場超聲場足夠強(qiáng)，足夠強(qiáng)，入射能量幾乎全入

17、射能量幾乎全部轉(zhuǎn)移到部轉(zhuǎn)移到1級級（1級）級）布拉格聲光衍射布拉格聲光衍射光能利用率高，因而大部分調(diào)制器均光能利用率高，因而大部分調(diào)制器均采用行波聲場的采用行波聲場的布拉格型聲光調(diào)制器布拉格型聲光調(diào)制器！ （3 3）聲光調(diào)制器）聲光調(diào)制器衍射光衍射光強(qiáng)度調(diào)制強(qiáng)度調(diào)制衍射光頻率調(diào)制衍射光頻率調(diào)制衍射光方向調(diào)制衍射光方向調(diào)制應(yīng)用：應(yīng)用：(3)(3)聲光調(diào)制器聲光調(diào)制器衍射光衍射光強(qiáng)度調(diào)制強(qiáng)度調(diào)制布拉格型聲光調(diào)制器布拉格型聲光調(diào)制器 21sisin ( ) P22II，10.5sinmiItI1ii0.5sinmIIIt1 1級（或級（或1 1級）光輸出級）光輸出IiI1(3)(3)聲光調(diào)制器聲光調(diào)

18、制器衍射光衍射光強(qiáng)度調(diào)制強(qiáng)度調(diào)制布拉格型聲光調(diào)制器布拉格型聲光調(diào)制器 輸入圖像、聲音信號輸入圖像、聲音信號強(qiáng)度調(diào)制光信號強(qiáng)度調(diào)制光信號2 2） 聲光調(diào)制聲光調(diào)制二、二、 光信號相位的調(diào)制光信號相位的調(diào)制 1. 電光相位調(diào)制電光相位調(diào)制2. 光學(xué)干涉儀光學(xué)干涉儀可實(shí)現(xiàn)相位調(diào)制的常見方法可實(shí)現(xiàn)相位調(diào)制的常見方法1. 電光相位調(diào)制電光相位調(diào)制xxnLc xznDE 可以實(shí)現(xiàn)對可以實(shí)現(xiàn)對單束單束相干光波相位的調(diào)制相干光波相位的調(diào)制 2. 光學(xué)干涉儀光學(xué)干涉儀可以實(shí)現(xiàn)可以實(shí)現(xiàn)兩束兩束以上相干光波相位差的調(diào)制以上相干光波相位差的調(diào)制 相位變化：相位變化： =2 nL/0 012()ddnn dLL dFd

19、FL dFF為被測參量為被測參量 干涉條件：頻率相同、偏振相同、相位差恒定干涉條件：頻率相同、偏振相同、相位差恒定邁克爾遜干涉儀邁克爾遜干涉儀（MichelsonMichelson） 吉曼干涉儀吉曼干涉儀Gell-Mann Gell-Mann 法布里珀羅法布里珀羅Fabry-PerotFabry-Perot光學(xué)干涉儀光學(xué)干涉儀（空氣空氣光程）光程）光纖式干涉儀光纖式干涉儀（光纖光纖光程）光程）光纖傳感器光纖傳感器76等傾干涉圖樣示意圖等傾干涉圖樣示意圖等厚干涉圖樣示意圖等厚干涉圖樣示意圖77 基于基于Mach-Zehnder結(jié)構(gòu)的電光效應(yīng)光開關(guān)結(jié)構(gòu)的電光效應(yīng)光開關(guān) 三、三、 光信號頻率的調(diào)制光

20、信號頻率的調(diào)制 工程上常采用的頻率調(diào)制技術(shù)大致三種：工程上常采用的頻率調(diào)制技術(shù)大致三種： 運(yùn)動參量調(diào)頻運(yùn)動參量調(diào)頻固定頻移固定頻移直接光頻調(diào)制直接光頻調(diào)制可調(diào)參數(shù)：可調(diào)參數(shù)： 光強(qiáng)、振幅、光強(qiáng)、振幅、頻率頻率、相位、相位、 偏振方向、傳播方偏振方向、傳播方向，向， 1.運(yùn)動參量調(diào)頻運(yùn)動參量調(diào)頻1 1）光學(xué)多普勒效應(yīng)和運(yùn)動差頻）光學(xué)多普勒效應(yīng)和運(yùn)動差頻2 2）薩格納克效應(yīng)（）薩格納克效應(yīng)（Sagnac EffectSagnac Effect）和轉(zhuǎn)動差頻和轉(zhuǎn)動差頻vv光頻變化與線速度：光頻變化與線速度：光頻變化與角速度：光頻變化與角速度：運(yùn)動物體能改變?nèi)肷溆谄渖系倪\(yùn)動物體能改變?nèi)肷溆谄渖系墓獠l率

21、光波頻率的現(xiàn)象稱作的現(xiàn)象稱作光學(xué)多普勒效應(yīng)光學(xué)多普勒效應(yīng)。80光（電磁波）的多普勒效應(yīng)計算公式分為以下三種：光（電磁波）的多普勒效應(yīng)計算公式分為以下三種： （1）縱向多普勒效應(yīng)（即波源的速度與波源與接收器的連）縱向多普勒效應(yīng)（即波源的速度與波源與接收器的連線共線）：線共線）：f=f (c+v)/(c-v)(1/2) ； 其中其中v為波源與接收器的相對速度。當(dāng)波源與觀察者接近時，為波源與接收器的相對速度。當(dāng)波源與觀察者接近時，v取正，稱為取正，稱為“紫移紫移”或或“藍(lán)移藍(lán)移”；否則；否則v取負(fù)，稱為取負(fù)，稱為“紅紅移移”。 （2）橫向多普勒效應(yīng)（即波源的速度與波源與接收器的連）橫向多普勒效應(yīng)（即

22、波源的速度與波源與接收器的連線垂直）：線垂直）：f=f (1-2)(1/2) 其中其中=v/c （3）普遍多普勒效應(yīng)（多普勒效應(yīng)的一般情況）：）普遍多普勒效應(yīng)（多普勒效應(yīng)的一般情況）：f=f (1-2)(1/2)/(1-cos)其中其中=v/c，為接收器與波源的連線到速度方向的夾角。為接收器與波源的連線到速度方向的夾角?？v向與橫向多普勒效應(yīng)分別為縱向與橫向多普勒效應(yīng)分別為取取0或或/2時的特殊情況時的特殊情況 1 1）光學(xué)多普勒效應(yīng)和運(yùn)動差頻）光學(xué)多普勒效應(yīng)和運(yùn)動差頻特殊地，特殊地， rs-r0 2 v 頻移數(shù)量級：頻移數(shù)量級：例如，例如，0.4880m的氬離子激光，的氬離子激光，8.5o，被

23、測，被測流速流速264m/s， v 77MHz2 2）薩格納克效應(yīng)和轉(zhuǎn)動差頻）薩格納克效應(yīng)和轉(zhuǎn)動差頻 當(dāng)封閉的光路相對于慣性空間有一轉(zhuǎn)動角速度當(dāng)封閉的光路相對于慣性空間有一轉(zhuǎn)動角速度時，時，順時針順時針光路和光路和逆時針逆時針光路之間將形成與轉(zhuǎn)速光路之間將形成與轉(zhuǎn)速成正比的光程差成正比的光程差LL，其數(shù)值滿足關(guān)系，其數(shù)值滿足關(guān)系 閉合光路的閉合光路的正正反向光路光程差隨轉(zhuǎn)速改變的現(xiàn)象反向光路光程差隨轉(zhuǎn)速改變的現(xiàn)象-薩納克效應(yīng)薩納克效應(yīng)。 L(4A/c)2 2）薩格納克效應(yīng)和轉(zhuǎn)動差頻）薩格納克效應(yīng)和轉(zhuǎn)動差頻討論：討論：用薩格納克效應(yīng)用薩格納克效應(yīng) 測量測量地球自轉(zhuǎn)速度地球自轉(zhuǎn)速度L(4A/c)地

24、球自轉(zhuǎn) =150/小時 =0.6328m 2600 300Am實(shí)驗不可能?。ㄅc足球場比較）0.1744Lm 不易觀察260 30Am4 0 0L -更難觀察更難觀察！光程差法：光程差法：L ？2)2)薩格納克效應(yīng)和轉(zhuǎn)動差頻薩格納克效應(yīng)和轉(zhuǎn)動差頻L ？v反射鏡組成激光諧振腔反射鏡組成激光諧振腔 -環(huán)形激光器環(huán)形激光器 頻率與腔長的關(guān)系：頻率與腔長的關(guān)系：vLvL4 AvKL L(4A/c)光頻差法：光頻差法：1.運(yùn)動參量調(diào)頻運(yùn)動參量調(diào)頻一、運(yùn)動參量調(diào)頻一、運(yùn)動參量調(diào)頻2)2)薩格納克效應(yīng)和轉(zhuǎn)動差頻薩格納克效應(yīng)和轉(zhuǎn)動差頻反射鏡組成激光諧振腔反射鏡組成激光諧振腔 -環(huán)形激光器環(huán)形激光器 4 AvKL

25、 例：例： 國內(nèi)國內(nèi) L=400mm =0.6328m K=2120度度/秒秒 地球自轉(zhuǎn)地球自轉(zhuǎn)150/小時小時2120 1536008.87Hzv 對于頻率信號，電子設(shè)對于頻率信號，電子設(shè)備可以敏感到備可以敏感到0.005Hz，可用儀器準(zhǔn)確測出?？捎脙x器準(zhǔn)確測出。4ALc光程差法：光程差法：光頻差法：光頻差法：4 AvL 國內(nèi)國內(nèi) L=400mm =0.6328m K=2120度度/秒秒 地球自轉(zhuǎn)地球自轉(zhuǎn)150/小時小時260 30Am4 0 0L2120 1536008.87Hzv 光學(xué)法光學(xué)法電學(xué)法電學(xué)法光電系統(tǒng)中，光電系統(tǒng)中，光電信號變換光電信號變換的重要意義！的重要意義！2)2)薩格

26、納克效應(yīng)和轉(zhuǎn)動差頻薩格納克效應(yīng)和轉(zhuǎn)動差頻環(huán)形激光器環(huán)形激光器 光學(xué)差頻檢測裝置 激光陀螺激光陀螺4AvKL -測角速度測角速度 -測角度測角度 04tANdtL國產(chǎn)國產(chǎn)激光陀激光陀螺螺測量角速測量角速度的精度優(yōu)度的精度優(yōu)于于0.01o/hr 2)2)薩格納克效應(yīng)和轉(zhuǎn)動差頻薩格納克效應(yīng)和轉(zhuǎn)動差頻環(huán)形激光器環(huán)形激光器 光學(xué)差頻檢測裝置 激光陀螺激光陀螺4AvKL -測角速度測角速度 -測角度測角度 04tANdtL國產(chǎn)國產(chǎn)激光陀激光陀螺螺測量角速測量角速度的精度優(yōu)度的精度優(yōu)于于0.01o/hr 激光陀螺激光陀螺 -在捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)應(yīng)用在捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)應(yīng)用02年珠海航展慣導(dǎo)產(chǎn)品年珠海航展慣導(dǎo)產(chǎn)品俄羅斯改

27、進(jìn)空地制導(dǎo)武器俄羅斯改進(jìn)空地制導(dǎo)武器 中國激光陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)中國激光陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng) 2. 固定頻移固定頻移利用利用光學(xué)光學(xué)和和光電子學(xué)光電子學(xué)等方法可制成頻率偏移器件等方法可制成頻率偏移器件光譜在外加磁場下發(fā)生分裂。 半導(dǎo)體激光器的半導(dǎo)體激光器的直接頻率調(diào)制直接頻率調(diào)制iv1MHz5070GHz電流頻率調(diào)制系數(shù)電流頻率調(diào)制系數(shù):0.1GHz/mA1GHz/mA可調(diào)頻范圍可調(diào)頻范圍:m22ccviKi 可以證明：可以證明：LD3 3、直接頻率調(diào)制直接頻率調(diào)制四、四、 光信號偏振的調(diào)制光信號偏振的調(diào)制 典型方法典型方法磁光調(diào)制磁光調(diào)制 磁光介質(zhì)在磁場的作用下，可使穿過它的偏振光的磁光介質(zhì)在磁場

28、的作用下，可使穿過它的偏振光的振動方向發(fā)生發(fā)生旋轉(zhuǎn)振動方向發(fā)生發(fā)生旋轉(zhuǎn)法拉第磁光效應(yīng)法拉第磁光效應(yīng) 。cosKlH光隔離器光隔離器 典型方法典型方法磁光調(diào)制磁光調(diào)制 磁光介質(zhì)在磁場的作用下，可使穿過它的偏振光的磁光介質(zhì)在磁場的作用下，可使穿過它的偏振光的振動方向發(fā)生發(fā)生旋轉(zhuǎn)振動方向發(fā)生發(fā)生旋轉(zhuǎn)法拉第磁光效應(yīng)法拉第磁光效應(yīng) 。cosKlH磁光調(diào)制器磁光調(diào)制器摘自國家精品課程光纖通信技術(shù) -深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院制作光電信號變換光電信號變換 光電光電探測器探測器光信號光信號電信號電信號00cos(2)EEvt響應(yīng)平均光功率響應(yīng)平均光功率 直接探測直接探測響應(yīng)光的頻率響應(yīng)光的頻率 相干探測相干探測 直接探

29、測和相干探測直接探測和相干探測 直接探測直接探測 （平均光功率）（平均光功率） 相干探測相干探測 （光的波動參數(shù)）（光的波動參數(shù)） 探測方法的改進(jìn)探測方法的改進(jìn)光電信號變換光電信號變換1. 直接探測的基本原理直接探測的基本原理2. 直接探測的應(yīng)用舉例直接探測的應(yīng)用舉例直接探測直接探測Drirect Detection ，又稱為非相干，又稱為非相干探測探測裝置簡單，光源為裝置簡單，光源為相干光源相干光源或或非相干光源非相干光源，只能探測平均只能探測平均光功率（光強(qiáng)）光功率（光強(qiáng)）一、直接探測一、直接探測(1) (1) 直接探測基本物理過程：直接探測基本物理過程： 平方律器件：平方律器件：ssss

30、( )sin()E tat光波：光波： 光功率：光功率： 人眼和探測器可以人眼和探測器可以響應(yīng)平均光功率響應(yīng)平均光功率2)(ssat 2)(ssatSI1. 直接探測的基本原理直接探測的基本原理(2) 直接探測系統(tǒng)的信噪比直接探測系統(tǒng)的信噪比1)信噪比定義：信噪比定義：22ssLs22nnLnPI RISNRPi Ri 2sLsdB1/222nLn10lg20lgI RISNRi Ri電電信號功率和信號功率和電電噪聲功率之比噪聲功率之比 2sU2sInnuUSNRiISNR或或提高系統(tǒng)信噪比的基本途徑：提高系統(tǒng)信噪比的基本途徑：光學(xué)方法光學(xué)方法，如場鏡、光錐、浸沒透鏡如場鏡、光錐、浸沒透鏡 應(yīng)

31、用光學(xué)應(yīng)用光學(xué)電學(xué)方法電學(xué)方法，如濾波、低噪聲放大、弱信如濾波、低噪聲放大、弱信 號檢測號檢測熱力學(xué)方法熱力學(xué)方法，制冷降低探測器噪聲制冷降低探測器噪聲 信噪比信噪比是衡量光電探測系統(tǒng)質(zhì)量好壞的一個重要指標(biāo)是衡量光電探測系統(tǒng)質(zhì)量好壞的一個重要指標(biāo) 信號光電流信號光電流、背景光電流和器件暗電流、背景光電流和器件暗電流熱噪聲熱噪聲 散粒噪聲散粒噪聲2) 直接探測的直接探測的信噪比極限信噪比極限：以光電二極管為例以光電二極管為例 22sdsd2222ndnSnBnDnT(/)PehvSNRPiiii最理想情況，只有最理想情況，只有信號信號光電流引起的散粒噪聲光電流引起的散粒噪聲2nSS2ieIfsd

32、2SNRhvf直接探測的直接探測的量子極限量子極限 直接探測的直接探測的量子極限量子極限 量子極限的另一種表達(dá)是：量子極限的另一種表達(dá)是：直接探測的直接探測的噪聲等效功率噪聲等效功率 例：例：為為1，f為為1Hz，2h，已很接近單個光子的，已很接近單個光子的能量能量h。sd2SNRhvfd2hv fNEPE= J=3.1410-19 J=1.96 eV. 以以632.8nm的氦氖激光為例計算光子能量的氦氖激光為例計算光子能量2.2.直接探測的應(yīng)用舉例直接探測的應(yīng)用舉例激光制導(dǎo)、飛行物自動跟蹤激光制導(dǎo)、飛行物自動跟蹤激光穩(wěn)頻、機(jī)器人視覺激光穩(wěn)頻、機(jī)器人視覺幾何量（長度、位移幾何量（長度、位移）表

33、面形狀參量（工件粗糙度、傷痕表面形狀參量（工件粗糙度、傷痕）光學(xué)參量（吸收、反射光學(xué)參量（吸收、反射）電磁量（電流、電場、磁場電磁量（電流、電場、磁場）應(yīng)用于測量：應(yīng)用于測量：應(yīng)用于控制：應(yīng)用于控制：特點(diǎn)：特點(diǎn)：信息加載信息加載輻通量（光強(qiáng)）輻通量（光強(qiáng)）幾何量（長度、位移幾何量（長度、位移）表面形狀參量（工件粗糙度、傷痕表面形狀參量（工件粗糙度、傷痕）光學(xué)參量（吸收、反射光學(xué)參量（吸收、反射）電磁量（電流、電場、磁場電磁量（電流、電場、磁場）輻通量輻通量（幅度、頻率、相位（幅度、頻率、相位）例例1. 1. 光電磁場測量光電磁場測量磁場光通量（磁場光通量（幅度幅度）磁場磁場振動方向旋轉(zhuǎn)角度振動

34、方向旋轉(zhuǎn)角度 光通量幅度光通量幅度例例2. 2. 光柵莫爾條紋測位移光柵莫爾條紋測位移mcos(2)xPt精度可達(dá)精度可達(dá)0.1m/m 位移光通量（位移光通量（頻率頻率）t光通量的頻率測量光通量的頻率測量光電轉(zhuǎn)速表光柵位移傳感器 測測“幅度幅度”與與“頻率頻率”方法，方法，測量精度測量精度的比較：的比較：基準(zhǔn)精度基準(zhǔn)精度測量精度測量精度基準(zhǔn)穩(wěn)定方法基準(zhǔn)穩(wěn)定方法幅度幅度10-310-410-210-3模擬量穩(wěn)定電路頻率頻率10-610-810-510-7晶振，數(shù)字鎖相環(huán)現(xiàn)代光電測量中常優(yōu)先考慮采用頻率測量法！ 例例3. 3. 光電測距光電測距發(fā)射光波發(fā)射光波接收光波接收光波距離光通量（距離光通量

35、（相位相位）002/tD c二、二、 相干探測相干探測直接探測：直接探測：（非相干探測）（非相干探測） 相干探測：相干探測： （光學(xué)外差探測）（光學(xué)外差探測） 裝置簡單，光源為裝置簡單，光源為相干光源相干光源或或非相干光非相干光源源，只能探測，只能探測光功率（光強(qiáng)）光功率（光強(qiáng)）。 裝置復(fù)雜，光源必須為裝置復(fù)雜，光源必須為相干光源相干光源，間接，間接探測探測光波的振幅、頻率和相位光波的振幅、頻率和相位等參數(shù)。等參數(shù)。相干探測相干探測1. 相干探測的基本原理相干探測的基本原理2. 相干探測的條件相干探測的條件3. 相干探測的應(yīng)用舉例相干探測的應(yīng)用舉例Coherent Detection 又稱為又

36、稱為光外差探測光外差探測 (1) 相干探測的物理過程相干探測的物理過程原理框圖原理框圖 信號光信號光s （本地、異地）（本地、異地）參考光參考光ru雙頻光波：雙頻光波：u波前匹配條件：波前匹配條件：空間條件空間條件頻率條件頻率條件偏振條件偏振條件采用平方律采用平方律探測器探測器：（只響應(yīng)平均功率）（只響應(yīng)平均功率）高靈敏度、高頻響應(yīng)、量子效率高靈敏度、高頻響應(yīng)、量子效率PMT，PIN-PD，APD u光學(xué)混頻光學(xué)混頻器：器：1. 相干探測的基本原理相干探測的基本原理1)1)相干探測的輸出信號相干探測的輸出信號ssss( )sin()E tatrrrr( )sin()E tat信號光信號光參考光

37、參考光222hssrsrsr2222srsssrrrrssrsrrssrsr|( )( )|( )( )2( )( )cos(22)cos(22)22cos()()2cos()()IS E tE tS EtEtE t E tSaaatata ata at平方律探測器光混頻輸出平方律探測器光混頻輸出Ihs為：為： 115ssss( )sin()E tatrrrr( )sin()E tatrsrsrsr2s2s2rs頻譜分析頻譜分析r信號光信號光ss G107108 外差探測外差探測直接探測直接探測hsmrsrs2ISa aS hssrcos()ISa at 22hsmsrr222dsss44IS

38、GIS 注意：功率為幅值注意：功率為幅值有效值的平方有效值的平方信號光電流、背景光電流和器件暗電流信號光電流、背景光電流和器件暗電流熱噪聲熱噪聲 散粒噪聲散粒噪聲僅考慮僅考慮信號光電流信號光電流引起的散粒噪聲：引起的散粒噪聲：直接探測的信噪比：直接探測的信噪比：sd2hSNRf22sdsd2222ndnSnBnDnT(/)PehvSNRPiiii2nSS2ieIf相干探測優(yōu)點(diǎn)：相干探測優(yōu)點(diǎn)：信噪比高信噪比高外差探測：外差探測： 僅考慮信號光引起的散粒噪聲限制，即僅考慮信號光引起的散粒噪聲限制，即 shhSNRffheeSIIPPSNRrsrnhsnsh)(22222外差探測的量子探測極限外差探

39、測的量子探測極限教材教材6162注意：為有效值注意：為有效值相干探測：相干探測： 直接探測：直接探測： 僅考慮信號光引起的散粒噪聲限制僅考慮信號光引起的散粒噪聲限制 fNEP2hdsd2hSNRf相干探測相干探測信噪比高，最小可探測功率更小信噪比高，最小可探測功率更小shhSNRffNEPhh2. 2. 相干探測的條件相干探測的條件(1) (1) 相干探測空間條件相干探測空間條件(2) (2) 相干探測頻率條件相干探測頻率條件(3) (3) 相干探測偏振條件相干探測偏振條件滿足滿足波前匹配條件波前匹配條件： 為什么需要為什么需要角準(zhǔn)直角準(zhǔn)直？ 探測器表面各點(diǎn)探測器表面各點(diǎn)相位相位相同相同時：時

40、：探測器表面各點(diǎn)探測器表面各點(diǎn)相位相位不同不同時：時：輸出信號輸出信號最大值最大值輸出信號輸出信號減小減小(1) (1) 相干探測空間條件相干探測空間條件信號光和本振光在空間上的信號光和本振光在空間上的角角準(zhǔn)直（共軸）準(zhǔn)直（共軸）為什么需要為什么需要角準(zhǔn)直角準(zhǔn)直？ 探測器接收面上沿探測器接收面上沿x方向方向各點(diǎn)的相位不同各點(diǎn)的相位不同信號光和本振光的波前在光混頻器表面上信號光和本振光的波前在光混頻器表面上沒有相同的位相關(guān)系沒有相同的位相關(guān)系 導(dǎo)致混頻輸出電流信號減小導(dǎo)致混頻輸出電流信號減小sssss2 sin( )sin()E tatx例：例：d=1mm，s0.6328m失配角：失配角： ds

41、例：例：d=1mm，s10.6m失配角：失配角： 69 定義：中頻輸出比最大值小定義：中頻輸出比最大值小10%10%時的主光線夾角為失配角時的主光線夾角為失配角33 對長波探測有利對長波探測有利 空間濾波空間濾波 (2) (2) 相干探測頻率條件相干探測頻率條件混頻器選通放大器觀察儀器高頻示波器高頻示波器頻譜分析儀頻譜分析儀 外差接收外差接收v，1041010Hz信號光和本振光的頻率漂移？信號光和本振光的頻率漂移？ 采用高單色性和頻率穩(wěn)定度的激光源采用高單色性和頻率穩(wěn)定度的激光源 兩束光取自同一激光器，由頻偏取得本振光兩束光取自同一激光器，由頻偏取得本振光 穩(wěn)頻措施：穩(wěn)頻措施： 222hssr

42、srsr2222srsssrrrrssrsrrssrsr|( )( )|( )( )2( )( )cos(22)cos(22)22cos()()2cos()()IS E tE tS EtEtE t E tSaaatata ata at(3) (3) 相干探測偏振條件相干探測偏振條件平方律探測器光混頻輸出平方律探測器光混頻輸出Ihs為：為： “代數(shù)和” ？信號光與本振光的偏振方向一致信號光與本振光的偏振方向一致 加檢偏器加檢偏器獲得偏振方向一致獲得偏振方向一致 3. 相干探測的應(yīng)用舉例相干探測的應(yīng)用舉例hssrcos()ISa at 相位調(diào)制相位調(diào)制頻率調(diào)制頻率調(diào)制ssrs00vvvv，干涉測量

43、干涉測量相干通信相干通信精密測長、測距、測速、測振動、精密測長、測距、測速、測振動、測力、測應(yīng)變、測力、測應(yīng)變、光譜分析光譜分析， 外層空間特別是衛(wèi)星之間通信、外層空間特別是衛(wèi)星之間通信、光纖通中波分復(fù)用光纖通中波分復(fù)用 接收解調(diào)，接收解調(diào)， (2) (2) 激光多普勒測速激光多普勒測速(3) CO(3) CO2 2激光外差通信激光外差通信(1) (1) 激光干涉測量激光干涉測量 hssrcos()ISa at 1)單頻激光測長單頻激光測長 hssrcos()ISa at 信號光信號光參考光參考光單頻單頻hsrscosISa a2 / 2nl(1) (1) 激光干涉測量激光干涉測量 位移位移l

44、2()Nmn=11) 單頻激光測長單頻激光測長 例：例：取取n=1, 測量鏡位移時觀察到探測器測量鏡位移時觀察到探測器的輸出為：的輸出為：hsrscosISa a2 / 2nl2()Nml = ?1.1.激光干涉測量激光干涉測量 局限性：局限性： 不能判別移動方向不能判別移動方向1)單頻激光測長單頻激光測長 光電探測器光電探測器4,54,5相位差相位差參考光參考光信號光信號光判別移動方向：判別移動方向：“參照物參照物”1.1.激光干涉測量激光干涉測量 1)單頻激光測長單頻激光測長 判別移動方向：判別移動方向：“參照物參照物”1.1.激光干涉測量激光干涉測量 正反移動方向波形正反移動方向波形 1

45、) 單頻激光測長單頻激光測長 信號光信號光參考光參考光2 / 2 n l缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：空氣的空氣的折射率折射率n與當(dāng)時的與當(dāng)時的環(huán)境溫度環(huán)境溫度、 濕度濕度 及及氣壓氣壓等因素有關(guān)，影響測量精度等因素有關(guān)，影響測量精度2. 雙頻激光測長雙頻激光測長 1.1.激光干涉測量激光干涉測量 2) 雙頻激光測長雙頻激光測長 雙頻激光干涉儀雙頻激光干涉儀雙頻激光雙頻激光檢偏器檢偏器 濾波片濾波片 信號光信號光 參考光參考光 1.1.激光干涉測量激光干涉測量 2) 雙頻激光測長雙頻激光測長 雙頻（調(diào)制）激光干涉儀雙頻（調(diào)制）激光干涉儀2v 光學(xué)差頻信號光學(xué)差頻信號 1.1.激光干涉測量激光干涉測量 2) 雙頻激光測長雙頻激光測長 2v光學(xué)差頻信號光學(xué)差頻信號: : 積分器波數(shù)積分器波數(shù): : 位移測量公式：位移測量公式：2LN位移與位移與空氣的折射率空氣的折射率n無關(guān)！無關(guān)！02dtLNv t1.1.激光干涉測量激光干涉測量 2) 雙頻激光測長雙頻激光測長 雙頻激光干涉儀雙頻激光干涉儀頻差為頻差為150MHz，激光穩(wěn)頻精度為激光穩(wěn)頻精度為108時，時，測長精度測長精度0.1m1.1.激光干涉測量激光干涉測量 3)3)波前調(diào)制相位與二維干涉圖分析波前調(diào)制相位與二維干涉圖分析表面形狀分布表面形狀分布 二維光強(qiáng)分布二維光強(qiáng)分布 亮條紋亮條紋擴(kuò)束擴(kuò)束1.1.激