第21讲 激光调制的基本概念

1、激光原理与技术激光原理与技术第二十一讲第二十一讲激光调制的基本概念激光调制的基本概念2 采采用用不不同同的的运运用用形形控控制制激激式式来来光光某某参参量量 （ 主主要要有有电电光光效效应应， 等等）而而 线线宽宽实实现现的的。21.0 激光技术课程特点激光技术课程特点改改善善和和提提高高激激光光性性激激光光单单激激光光技技术术主主要要讲讲授授可可以以的的，主主要要内内能能元元技技术术容容包包括括：激激光光调调制制与与偏偏转转技技术术Q调调 技技术术 : :锁锁模模技技术术 : :非非线线性性光光学学技技术术 : :ns将将激激光光输输出出的的脉脉冲冲宽宽度度压压缩缩至至量量级级。fs将将激激

2、光光输输出出的的脉脉冲冲宽宽度度压压缩缩至至 量量级级。扩扩展展激激光光波波段段、改改变变或或控控制制激激光光器器参参数数等等。激激光光技技术术涉涉及及多多学学科科的的理理论论知知识识，但但从从基基本本原原理理来来看看利利用用光光和和物物质质相相互互，大大多多是是所所产产作作用用生生的的物物理理效效应应声声光光效效应应，非非线线性性光光学学效效应应等等），（能能量量， 功功率率， 脉脉宽宽， 偏偏振振，模模式式，321.1 调制的基本概念调制的基本概念激激光光是是一一种种光光频频电电磁磁波波，可可以以用用来来作作为为传传递递信信息息的的载载波波。“”“”“”以以信信息息的的所所谓谓，是是按按着

3、着人人类类应应用用的的需需求求（）调调对对光光波波进进行行节节调调形形式式制制与与现现控控制制出出， 是是由由振振幅幅强强度度相相位位偏偏振振改改变变载载波波的的、或或以以传传播播信信息息的的过过程程。从从载载波波中中分分出出信信息息信信号号解解调调是是的的反反过过程程。421.1 调制的基本概念调制的基本概念光光波波作作为为信信息息载载体体的的特特点点转转播播速速度度快快信信息息容容量量大大可可以以用用光光学学系系统统进进行行变变换换 可可以以在在透透明明介介质质中中传传输输 光光纤纤、水水 可可以以不不用用介介质质传传输输 真真空空、太太空空可可独独立立传传播播加加载载了了信信号号的的光光

4、波波是是以以群群速速度度传传播播。传传输输方方式式多多样样5 反反坦坦克克导导弹弹制制导导、激激光光武武器器制制导导、战战场场上上的的激激光光通通信信等等等等。21.1 调制的基本概念调制的基本概念光光调调制制的的应应用用军军事事上上的的应应用用：光光通通信信领领域域的的应应用用Q调调 、超超短短工工业业领领域域的的脉脉冲冲产产应应用用：生生等等等等。621.2 激光调制的基本形式激光调制的基本形式按按着着，调调制制可可以以分分调调制制器器与与激激光光器器的的关关系系内内调调为为制制和和外外调调制制；以以调调制制信信号号去去改改变变激激光光器器的的振振荡荡参参数数，从从而而改改变变激激光光器器

5、的的输输内内调调制制：出出特特性性。改改变变激激光光器器的的泵泵浦浦强强度度改改变变激激光光器器的的腔腔内内损损耗耗在在激激光光器器外外的的光光路路上上放放置置调调制制器器，用用调调制制信信号号改改变变调调制制器器的的物物理理特特性性，当当激激光光通通过过调调制制器器时时，会会使使光光波波的的某某个个参参量量发发外外调调制制：生生变变化化。721.3 激光调制的分类激光调制的分类以以信信号号与与载载波波的的角角度度来来看看，激激光光调调制制就就是是把把激激光光作作为为载载波波射射频频调调携携带带低低制制向向光光频频信信号号，本本质质频频波波段段上上是是的的拓拓展展。按按着着信信号号与与载载波波

6、的的不不同同，激激光光调调制制可可以以分分模模拟拟调调制制脉脉冲冲调调制制数数为为、与与字字调调制制。调制类型调制类型模拟模拟脉冲脉冲数字数字信息信号信息信号时间连续时间连续时间连续或时间连续或取样取样时间取样时间取样载波参数载波参数（振幅、强度、频率、相（振幅、强度、频率、相位或偏振）位或偏振）连续连续连续或量化连续或量化量化或编码量化或编码821.3 激光调制的分类激光调制的分类921.4 激光模拟调制激光模拟调制调调幅幅可可以以按按着着分分为为、调调频频调调相相、等等改改变变载载波波光光电电强强场场参参度度量量的的不不同同调调制制等等。、偏偏振振调调制制和和 coscccccccetAt

7、A单单色色平平面面波波表表达达式式为为其其中中为为振振幅幅，为为角角频频率率，为为初初始始位位相相。的的，通通过过改改变变激激光光载载波波的的特特征征参参量量，可可以以对对激激光光载载波波进进行行调调制制。调调幅幅振振幅幅调调制制： 使使载载波波的的振振幅幅随随调调制制信信号号的的变变化化而而变变化化。调调频频频频率率调调制制： 使使载载波波的的频频率率随随调调制制信信号号的的变变化化而而变变化化。调调相相相相位位调调制制： 使使载载波波的的相相位位随随调调制制信信号号的的变变化化而而变变化化。强强度度调调制制： 使使载载波波的的光光强强随随调调制制信信号号的的变变化化而而变变化化。偏偏振振调

8、调制制：使使相相对对于于基基准准轴轴的的线线偏偏振振载载波波偏偏振振角角随随调调制制线线偏偏振振型型：信信号号变变化化激激光光模模拟拟调调制制: :信信息息与与载载波波都都是是连连续续信信号号使使右右- -对对- -左左偏偏振振态态中中的的载载波波比比例例强强度度随随调调制制圆圆偏偏振振型型：信信号号变变化化1021.4 激光模拟调制激光模拟调制 Amplitude ModulationAM振振幅幅调调制制，载载波波振振幅幅随随调调制制信信号号变变化化 cosccccetAt cosccckAa te tt a tk式式中中，为为为为比比例例系系数数调调制制信信号号设设调调制制信信号号为为一一

9、余余弦弦信信号号： cosmma tAt 则则有有 cocsoscccmmtkAe tAt maxmacckAAmAA 令令为为调调幅幅系系数数 ccosos1mcaccte tAtm cm，由由于于调调制制波波形形为为以以信信号号波波为为上上下下对对称称包包络络的的波波形形。1121.4 激光模拟调制激光模拟调制振振幅幅调调制制的的频频域域分分布布 ( )coscos2 cos2accccccmcaccmcme tAtAtmAt cet将将用用三三角角函函数数展展开开 ，得得傅傅里里叶叶变变换换或或作作 ( )2acccmouriermee tAA F Fccm 为为载载频频分分量量为为边边

10、频频分分量量1221.4 激光模拟调制激光模拟调制频频率率调调制制相相位位调调制制频频率率随随调调制制信信号号变变化化初初始始位位相相随随调调制制信信号号变变化化 ccfttk a t ctt dt 相相角角 cctt dt ccftka t dt cosmma tAt 设设 cos( )ce tAt 则则有有 cossinccfmcAtmtfmdfdmmck Am 调调频频系系数数从从载载波波频频式式中中率率的的为为，为为峰峰值值频频移移 cosmma tAt 设设 ccttk a t coscosccmce tAtmt mk A 式式中中为为调调相相系系数数 ccttk a t ,Freq

11、uency Modution FM ,Phase Modulation PM1321.4 激光模拟调制激光模拟调制角角度度调调制制对对于于频频率率调调制制和和相相位位调调制制，其其不不同同点点有有PMFM，调调制制方方法法不不同同fmm 和和性性质质不不同同/1/,ffmmmmmmk Amk A 与与无无关关 tPMFM 但但和和都都是是，不不论论是是频频率率改改变变还还是是位位相相改改变变，最最改改变变总总相相角角总总相相角角的的变变终终都都是是表表现现为为，因因此此可可角角化化以以统统称称为为度度调调制制。两两者者可可以以等等价价看看待待，在在形形式式上上也也可可以以写写成成统统一一的的形

12、形式式：( )cossinccmce tAtmtm式式中中为为调调制制系系数数1421.4 激光模拟调制激光模拟调制角角度度调调制制的的时时域域波波形形频频率率调调制制相相位位调调制制和和可可统统称称为为角角度度调调制制调调制制波波表表达达式式为为( )cossinccmce tAtmt为为，或或者者说说是是等等幅幅变变频频振振荡荡等等幅幅变变周周期期振振荡荡 tt与与的的关关系系？ ccccccct dttt dttttt = = dttdt 1521.4 激光模拟调制激光模拟调制角角度度调调制制的的频频域域分分布布角角度度调调制制波波可可以以采采用用傅傅里里叶叶变变换换或或者者三三角角函函

13、数数展展开开求求得得其其频频谱谱： 01( )() ()() 1cccncmnncmeA JmAJmnn 1621.4 激光模拟调制激光模拟调制强强度度调调制制光光载载波波的的强强度度与与调调制制信信号号成成正正比比，即即 221cos2cpccAI tk a ttPk式式中中为为比比例例系系数数 cosmma tAt 设设 221coscos2cpmccAI tmttPPmcImk AI 强强式式中中为为度度调调制制系系数数 激激光光调调制制通通常常多多采采用用强强度度调调制制形形式式，这这是是因因为为接接收收器器 探探测测器器一一般般都都是是直直接接响响应应其其所所接接受受的的光光强强变变

14、化化。1721.4 激光模拟调制激光模拟调制二二次次调调制制在在实实际际应应用用中中，为为了了得得到到较较强强的的抗抗干干扰扰效效二二次次调调制制果果，往往往往利利用用方方式式，例例如如： /FMIM先先将将对对一一进进行行，然然后后再再用用这这个个对对光光载载波波进进低低频频信信号号频频率率调调行行，使使高高频频副副载载制制光光的的强强度度按按强强副副波波已已调调载载波波信信称称为为调调号号的的变变度度调调制制频频制制波波化化而而变变化化。这这是是因因为为在在传传输输过过程程中中，尽尽管管大大气气抖抖动动等等干干扰扰被被会会直直接接叠叠加加到到光光信信号号波波上上，但但经经解解调调后后，其其

15、信信息息是是包包含含在在调调频频的的副副载载波波中中故故其其信信息息不不会会受受到到干干扰扰，可可以以无无失失真真地地再再现现出出原原来来的的信信息息。1821.4 激光模拟调制激光模拟调制激激光光模模拟拟调调制制小小结结光光载载波波调调制制和和射射频频载载波波调调制制的的区区别别，主主要要在在于于用用来来完完成成调调制制工工作作的的设设备备的的特特性性和和限限制制。 131510Hz由由于于光光电电场场的的频频率率很很高高，因因此此目目前前光光电电探探测测器器一一般般无无法法直直接接测测出出电电场场的的变变化化，只只能能采采用用平平方方律律探探测测器器，直直接接响响应应其其所所接接受受到到的

16、的光光强强度度的的变变化化。由由于于调调制制信信号号与与探探测测器器输输出出之之间间的的非非线线性性，连连续续调调幅幅的的有有效效性性是是有有限限制制的的；因因此此激激光光多多采采用用强强度度调调制制。振振幅幅、频频率率、相相位位在在实实际际运运用用中中，大大多多数数是是采采用用达达到到调调制制强强度度调调制制的的效效果果。 对对于于光光谱谱也也有有调调相相器器，但但是是由由于于载载波波发发射射机机和和接接收收器器的的本本机机振振荡荡频频率率之之间间的的不不稳稳定定使使解解调调发发生生困困难难而而受受到到限限制制。1921.5 脉冲调制脉冲调制脉脉冲冲调调制制就就是是用用一一种种断断续续的的周

17、周期期性性脉脉冲冲序序列列作作为为载载波波，这这种种载载波波的的某某一一参参量量按按调调制制信信号号规规律律变变化化的的调调制制方方法法。即即先先用用模模拟拟信信号号对对一一电电脉脉冲冲序序列列的的某某参参量量（幅幅度度、宽宽度度、频频率率、位位置置等等）进进行行电电调调制制，使使之之按按调调制制信信号号规规律律变变化化，成成为为已已调调脉脉冲冲序序列列，然然后后用用这这已已调调电电脉脉冲冲对对光光载载波波进进行行强强度度调调制制，就就可可以以得得到到相相应应变变化化的的光光脉脉冲冲序序列列。2021.5 脉冲调制脉冲调制脉脉冲冲调调幅幅 1cos2cnccAe tM tt nnttt 当当脉

18、脉冲冲调调宽宽 cosccce tAt脉脉冲冲调调位位 cosccce tAt ndndtttt当当 nntM t 式式中中， 为为取取样样时时间间， 为为脉脉冲冲宽宽度度，是是调调制制信信号号的的振振幅幅，它它可可以以是是连连续续或或量量化化的的。 12PdndM tt =,=,为为载载波波脉脉冲冲前前沿沿相相对对于于取取样样时时间间 的的延延迟迟时时间间 nnntttM t 当当21 用用有有限限个个数数的的代代表表值值取取代代抽抽样样值值的的大大小小，通通过过这这一一过过程程，原原始始信信号号变变成成数数字字信信号号。21.6 脉冲编码调制（脉冲编码调制（PCM调制）调制） PCM先先把

19、把模模拟拟信信号号变变换换成成电电脉脉冲冲序序列列，进进而而变变成成代代表表信信号号信信息息的的二二进进制制编编码码数数字字信信号号 ，再再对对光光载载波波进进行行强强度度调调制制。要要实实现现脉脉冲冲编编码码调调制制，必必须须经经过过抽抽样样量量化化编编、和和码码三三个个过过程程。1、抽抽样样： 通通过过抽抽样样后后，原原来来的的模模拟拟信信号号变变成成一一脉脉冲冲振振幅幅调调制制信信号号。只只要要抽抽样样频频率率大大于于所所传传递递信信号号最最高高频频率率的的两两倍倍，就就能能恢恢复复原原信信号号波波形形。2、量量化化：3、编编码码：把把量量化化后后的的数数字字信信号号变变换换成成相相应应的的二二进进制制码码的的过过程程。2221.7 空间光调制空间光调制光光波波的的空空间间空空间间光光调调制制器器是是一一种种对对进进分分布布行行调调制制的的器器件件 xy随随 ， 坐坐标标变变化化振振幅幅 或或强强度度 透