第五章光调制技术----光信息系统的信号加载与控制A2013.11.8

1、第五章第五章 光调制技术光调制技术-光信息系统的光信息系统的信号加载与控制信号加载与控制5.1 晶体光学基础晶体光学基础5.2 光在晶体中的传播光在晶体中的传播5.3 电光调制电光调制5.4 声光调制声光调制5.5 磁光调制磁光调制1序序 言言 23 在无线通信中，需要传送的由在无线通信中，需要传送的由语言、音语言、音乐转换来的属于乐转换来的属于低频低频的电信号的电信号，其，其频率范围从几十赫到数千赫，频率范围从几十赫到数千赫，不能直不能直接从天线辐射出去接从天线辐射出去； 必须必须借助于高频振荡借助于高频振荡，由它将低频信号，由它将低频信号“携带携带”到空间去，这就是所谓的到空间去，这就是所

2、谓的“调调制制”方式。方式。4为什么低频信号不能直接从天线上辐射出去呢？ 电磁波的电磁波的频率越高，向外辐射能量的本频率越高，向外辐射能量的本领就越大领就越大； 只有电磁波的频率足够高，即只有电磁波的频率足够高，即波长波长足够足够短，短，短到与天线的尺寸可以相比拟时短到与天线的尺寸可以相比拟时，才会有足够强的电磁能量辐射出去才会有足够强的电磁能量辐射出去(?)。5 上述的上述的低频信号，所对应的波长从十几低频信号，所对应的波长从十几公里到几千公里公里到几千公里，要，要制造如此庞大的天制造如此庞大的天线，是不可能的线，是不可能的； 即使有可能把这种低频信号发射出去，即使有可能把这种低频信号发射出

3、去，各个发射台所发送的将是各个发射台所发送的将是同样的频率范同样的频率范围围，互相干扰互相干扰使接收机无法选择所需的使接收机无法选择所需的信号；信号；低频信号内在的原因6低频信号内在的原因（续） 由于发送端和接收端都采用由于发送端和接收端都采用天线调谐回天线调谐回路路，只有当天线回路的固有频率与信只有当天线回路的固有频率与信号频率相同，即号频率相同，即“谐振谐振”时，才能时，才能有效地发送与接收；有效地发送与接收； 上述的低频信号上述的低频信号频率变化范围较大频率变化范围较大，因，因此，此，要随着频率的变化而不断地改变天要随着频率的变化而不断地改变天线的长短及振荡回路的参数线的长短及振荡回路的

4、参数，实际上是，实际上是不可能的。不可能的。7 光辐射的控制，就是光辐射的控制，就是用信息信号对用信息信号对激光辐射进行作用激光辐射进行作用(调制调制)。与电子学中与电子学中电子、电子、电子束和空穴电子束和空穴之类之类的的带电粒子带电粒子不同，不同，在电性能方面呈中在电性能方面呈中性的性的光子不能用光子不能用电场或磁场来电场或磁场来直接控制直接控制。要想控制要想控制不带电不带电粒子的光子粒子的光子，就就必须必须摒弃对带电摒弃对带电粒子进行控制的粒子进行控制的概念概念，而采用新而采用新的控制原理与方的控制原理与方法法。78与无线电通信技术中利与无线电通信技术中利用用无线电波无线电波作为传递作为传

5、递语言、图象信息的载语言、图象信息的载波相似波相似，激光也可以激光也可以用来作为传递信息的用来作为传递信息的载波载波。由于激光光束的由于激光光束的发散发散角小角小(方向性好方向性好)，所，所以用激光传递信息具以用激光传递信息具有有保密性好，抗干扰保密性好，抗干扰性能强性能强等优点等优点。因此，激光可以用因此，激光可以用来作为传递信息的来作为传递信息的载体，是传递信息载体，是传递信息的理想光源。的理想光源。89 用光波传递信息的特点（带宽、保密、抗干扰）用光波传递信息的特点（带宽、保密、抗干扰）调制的方法概述：调制的方法概述：用电信号调制光源的驱动电源用电信号调制光源的驱动电源；直接直接对光波进

6、行调制对光波进行调制 前者主要用于光通讯，后者主要用于控制激光前者主要用于光通讯，后者主要用于控制激光器的工作状态。器的工作状态。主要介绍后一种方法。主要介绍后一种方法。调制的基本概念 光调制的意义所谓所谓“调制调制”，是按着，是按着人类应用的人类应用的需求需求（以信（以信息的形式出现）对光波息的形式出现）对光波进行进行“调节调节”与与“控控制制”，从而，从而将信息加载将信息加载到光波上去到光波上去。激光调制就是把激光作为载波携带低频信号，本质上是激光调制就是把激光作为载波携带低频信号，本质上是无线电无线电波向光频段的拓展波向光频段的拓展。调制的基本概念调制的基本概念 激光是一种频率更高的电磁

7、波，它具有很好相干性，因而象以往电磁波（收音机、电视等）一样可以用来作为传递信息的载波传递信息的载波。 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这种将信息加载于激光的过程称之为调制调制，完成这一过程的装置称为调制器调制器。其中激光称为载波；起控制作用的低频信息称为调制信号。11解调：调制的反过程，即把调制信号还原成原 来的信息。1213激光光波的电场强度是： 式中 ， ， 。根据调制器和激光器的相对关系，可以分为内调制和内调制和外调制外调制。内调制内调制：是指加载调制信

8、号是在激光是指加载调制信号是在激光振荡过程振荡过程中中进行的，即进行的，即以调制信号去改变激光器的以调制信号去改变激光器的振振荡参数荡参数，从而改变激光，从而改变激光输出特性输出特性以实现调制以实现调制。)cos()(cccctAte振幅cA角频率c相位角c14例如，例如，注入式半导体激光器注入式半导体激光器，是用，是用调制信号调制信号直接直接改变它的改变它的泵浦驱动电流泵浦驱动电流，使输出的激光，使输出的激光强度强度受到受到调制调制(也称直接调制也称直接调制)。还有一种内调制方式是在激。还有一种内调制方式是在激光光谐振腔内放置调制元件谐振腔内放置调制元件，用，用调制信号控制元件调制信号控制元

9、件的物理特性的物理特性的变化，以的变化，以改变谐振腔的参数改变谐振腔的参数，从而，从而改变激光器输出特性，以后介绍的改变激光器输出特性，以后介绍的调调Q技术技术实际上实际上就是属于这种调制。就是属于这种调制。1516外调制外调制：是指激光形成之后，在激光器外的是指激光形成之后，在激光器外的光路光路上上放置调制器，用调制信号改变调制器的物理特放置调制器，用调制信号改变调制器的物理特性，当激光通过调制器时，就会使光波的某参量性，当激光通过调制器时，就会使光波的某参量受到调制受到调制。外调制方便，外调制方式不受激光器外调制方式不受激光器件工作速率的限制件工作速率的限制，比内调的调制速率高调制速率高约

10、一个数量级，调制带宽要宽得多，故倍受重视。 170.20.40.60.81.01.21.41.51.00.50.51.01.50.20.40.60.81.01.21.41.51.00.50.51.01.50.20.40.60.81.01.21.41.51.00.50.51.01.50.20.40.60.81.01.21.41.51.00.50.51.01.50.20.40.60.81.01.21.41.51.00.50.51.01.50.20.40.60.81.01.21.41.51.00.50.51.01.5内调制和外调制18 信号调制方式与分类 正弦波一般可表示为 （4-1） 正弦波都有三

11、个参数：幅度、频率和相位 所谓调制，就是将调制信号加载在三个参将调制信号加载在三个参数中的某一个参数上数中的某一个参数上，或幅值、或频率、或幅值、或频率、或相位随调制信号大小成线性变化的过程或相位随调制信号大小成线性变化的过程 0( )cos ( )cos()u tAtAt19信号调制方式与分类 有三种基本调制方法 一种是把调制信号加载在载波信号的幅值上，称为幅度调制 ，简称AM（Amplitude Modulation） 第二种是把调制信号装载在载波的频率上，称为频率调制，简称FM（Frequency Modulation） 第三种是把调制信号装载在载波的相位上，称为相位调制，简称PM（Ph

12、ase Modulation） 20 光调制光调制 通过改变光波的通过改变光波的振幅、强度、相位、频率或偏振振幅、强度、相位、频率或偏振等参等参数，使传播的光波数，使传播的光波携带信息携带信息的过程。的过程。 功能功能 在光通信系统中在光通信系统中实现从电信号到光信号的转换实现从电信号到光信号的转换 目的目的 对所需处理的信号或被传输的信息作某种形式的变换，对所需处理的信号或被传输的信息作某种形式的变换，使之便于理解、使之便于理解、传输和检测传输和检测 光调制器：光调制器： 利用光和物质相互作用所产生的利用光和物质相互作用所产生的效应效应来来控制光波的强控制光波的强度或相位度或相位的器件的器件

13、 21二 、光调制分类内调制内调制(直接调制直接调制)外调制外调制(间接调制间接调制)电光调制电光调制声光调制声光调制磁光调制磁光调制振幅调制振幅调制相位调制相位调制模拟调制模拟调制数字调制数字调制脉冲调制脉冲调制221875年，英国的Kerr发现了电光效应中的Kerr效应，利用这一效应制作的Kerr盒是盒是一种用途广泛的电光调制器一种用途广泛的电光调制器；利用KDP晶体(单轴)在电场作用下的双折射双折射效应也可以制作电光调制器效应也可以制作电光调制器；利用Pokels效应也可以制作电光调制器；利用超声波作用下介质折射率周期性变化折射率周期性变化的声光效应的声光效应可以制作声光调制器；利用法拉

14、第效应法拉第效应可以制作磁光调制器磁光调制器与光光隔离器隔离器。利用强磁场中激光的Zeeman效应可以进行超细光谱分析与激光稳频激光稳频。235.1晶体光学基础晶体光学基础空间点阵学说与空间群理论结合空间点阵学说与空间群理论结合，形成了近代关于晶体几何结构的完备理论 。5.1.1晶体结构与基本概念晶体结构与基本概念 晶体晶体组成物质的微粒（原子、分子或离子）或微粒群在空组成物质的微粒（原子、分子或离子）或微粒群在空间间按照一定的规则周期性排列按照一定的规则周期性排列形成的一种晶态固体形成的一种晶态固体。 基元基元构成晶体的构成晶体的无限重复无限重复的微粒或粒子群，是的微粒或粒子群，是晶体的基本

15、晶体的基本结构单元结构单元，称为基元。，称为基元。 24点阵与结构基元点阵与结构基元1 一维图案与直线点阵一维图案与直线点阵a点阵点点阵点聚乙烯聚乙烯25a点阵点点阵点Tm=ma (m=0，1，) 经过平移基矢经过平移基矢 ma 的平移操作，点阵点可以完的平移操作，点阵点可以完全不可分辨，因此点阵具有全不可分辨，因此点阵具有平移对称性平移对称性点阵点点阵点所代表的所代表的具体物质结构内容具体物质结构内容称为称为结构基元结构基元（structural motil)晶体中规则排列的微粒抽象为几何学中的点称为晶体中规则排列的微粒抽象为几何学中的点称为点阵点点阵点或或结点结点点阵直线点阵直线262 二

16、维图案与平面点阵二维图案与平面点阵石墨石墨27 晶格晶格 点阵：点阵： 基元用结点代替基元用结点代替，则晶体可看成一些，则晶体可看成一些相同结点相同结点在空在空间有间有规则周期性无限分布形成的集合规则周期性无限分布形成的集合，称，称点阵点阵。 晶格晶格 通过点阵中的结点可以做许多平行的通过点阵中的结点可以做许多平行的直线簇和平行直线簇和平行的平面簇的平面簇，构成一种，构成一种格子结构格子结构，称为晶格，称为晶格， 格点格点 晶格中的晶格中的结点结点就成为晶格中就成为晶格中格点格点。 28 晶胞晶胞 晶格中以一个格点为顶点、其上发出的三个基本平移晶格中以一个格点为顶点、其上发出的三个基本平移矢量

17、矢量a、b、c为三个相邻棱边，形成一个为三个相邻棱边，形成一个平行六面体平行六面体晶体的基本重复单元晶体的基本重复单元：晶体学原胞，简称晶胞：晶体学原胞，简称晶胞 平移矢量代表晶胞棱边的长与取向，平移矢量代表晶胞棱边的长与取向，晶棱长即平移矢晶棱长即平移矢量应为该取向上的最小重复长度量应为该取向上的最小重复长度，称为晶胞的周期。，称为晶胞的周期。 选择原则选择原则 所选择的平行六面体应该能够反映整个空间点阵的对称性，以及所选择的平行六面体应该能够反映整个空间点阵的对称性，以及平行六面体的对称性应与空间点阵的对称性一致平行六面体的对称性应与空间点阵的对称性一致。 平行六面体上平行六面体上棱与棱之

18、间的棱与棱之间的直角关系应力求最多直角关系应力求最多。 平行六面体的平行六面体的体积应最小体积应最小c(z)b(y)a(x)1ki29 晶胞常数晶胞常数 用来描述晶体学原胞的三个棱长用来描述晶体学原胞的三个棱长a0、b0、c0以以及它们之间的夹角及它们之间的夹角 、 、 这这六个参数六个参数 晶格常数与晶轴晶格常数与晶轴 a0、b0、c0称为晶体原胞的称为晶体原胞的晶格常数晶格常数，其方向，其方向代表晶轴方向。代表晶轴方向。 c(z)b(y)a(x)1ki30 晶面晶面 晶体点阵可从各个方向划分成许多组平行且各个方向划分成许多组平行且等距离的平行点阵等距离的平行点阵，这些平行点阵所处的平面称为

19、晶面，晶面方向晶面方向由密勒指数密勒指数（hkl）标记，h、k、l是互质的整数互质的整数，其比有关系：其中，、为晶面与晶轴相交的截距截距。lkhlkh1:1:1:hkl31固体物理学固体物理固体物理32 通常用通常用密勒指数密勒指数来标记不同的晶面。来标记不同的晶面。确定密勒指数的步骤：确定密勒指数的步骤：1）选任一结点为原点，作 、 、 的轴线。b2）求出晶面族中离原点最近的第一个晶面在 、 、 轴上的截距 、 、 。 bahbkcl3）将 、 、 取倒数并化为互质整数取倒数并化为互质整数 、 、 ，则 即为密勒指数密勒指数。 h k），（lkh固体物理学固体物理固体物理33例：立方晶系的几

20、个晶面固体物理学固体物理固体物理34固体物理学固体物理固体物理35(111)(201)固体物理学固体物理固体物理36七大晶系、十四种布拉菲格子、三大晶族 七大晶系七大晶系 根据晶胞常数的特点，可将晶体分为七种类型（三斜、单斜 正交（斜方） 三方 四方 六方 立方 ） 布拉菲格子布拉菲格子 每一晶系由可以按照节点在其中的分布规律再细分成四种四种可能形式可能形式的晶格的晶格(原始原始 底心底心 面心面心 体体心心)。布拉菲证明这28种形式中，只能有14种种独立的空间格子独立的空间格子 低级晶族：低级晶族：无高次旋转轴的晶体 中级晶族：中级晶族：有一个高次旋转轴的晶体 高级晶族：高级晶族：有一个以上

21、高次旋转对称轴的晶体 37七大晶系七大晶系38根据点阵点在平行六面体单位中分布的数目和位置不同，可分为四种情况根据点阵点在平行六面体单位中分布的数目和位置不同，可分为四种情况(1) 初基初基(简单简单)点阵点阵 P 一个阵点一个阵点(2) 底心点阵底心点阵 C,A或或B 两个阵点两个阵点(3) 体心体心点阵点阵 I 两个两个阵点阵点(4)面心面心点阵点阵 F 四个四个阵点阵点3940晶系晶系原始格子原始格子（P）底心格子底心格子（C）体心格子体心格子（I）面心格子面心格子（F）三斜三斜C=II=FF=P单斜单斜I=F F=P正交正交四方四方C=IF=P14种种Bravais格子格子41晶系晶系

22、原始格子原始格子（P）底心格子底心格子（C）体心格子体心格子（I）面心格子面心格子（F）六方六方与本晶系与本晶系对称不符对称不符I=FF=P菱形菱形与本晶系与本晶系对称不符对称不符I=F F=P立方立方与本晶系与本晶系对称不符对称不符42 配位数：配位数： 晶格点阵中某一格点相邻的格点数某一格点相邻的格点数。 面心立方格子配位数12，体心立方格子为14。 原子致密度：原子致密度： 晶体内原子所占体积和晶胞总体积之比原子所占体积和晶胞总体积之比。 面心立方格子致密度0.74，体心立方格子0.68。435.1.2晶体的基本性质晶体的基本性质1.自限性自限性指晶体指晶体自发形成封闭凸几何多面体自发形

23、成封闭凸几何多面体的能力。的能力。晶面、晶棱、顶点间关系：晶面数晶面、晶棱、顶点间关系：晶面数+顶点数顶点数=晶棱数晶棱数+22.晶面角守恒晶面角守恒 同一品种晶体不论其外形如何，同一品种晶体不论其外形如何，晶面间交角总是确定的晶面间交角总是确定的3.均匀性均匀性 指晶体在指晶体在不同位置上不同位置上具有相同的具有相同的宏观宏观物理性质。物理性质。 晶格中所有格点都在三维空间晶格中所有格点都在三维空间以原胞为单位周期性排列以原胞为单位周期性排列 每个原胞周围的格点情况均一样每个原胞周围的格点情况均一样均匀性均匀性44晶面角守恒定律晶面角守恒定律石英晶体的各种外形石英晶体的各种外形ab = 14

24、147bc = 12000ac = 11308晶面角守恒定律：在不同条件条件下生长的同一成分的同种晶面角守恒定律：在不同条件条件下生长的同一成分的同种晶体之间，其对应晶面间的夹角恒等。晶体之间，其对应晶面间的夹角恒等。 宏观晶体的典型外貌特征是一组面平棱直的晶面所围宏观晶体的典型外貌特征是一组面平棱直的晶面所围成的凸多面体成的凸多面体454、各向异性、各向异性是指晶体的宏观性质随观察方向的是指晶体的宏观性质随观察方向的不同而不同。这一性质的本质是晶不同而不同。这一性质的本质是晶体沿不同晶轴方向晶格常量不同，体沿不同晶轴方向晶格常量不同，也就是由晶格中各个方向格点的排也就是由晶格中各个方向格点的

25、排列方式不同而引起的。晶体的解理列方式不同而引起的。晶体的解理与双折射是晶体各向异性的典型体与双折射是晶体各向异性的典型体现。现。晶体光学基础晶体光学基础5、晶体的对称性、晶体的对称性是指晶体的几何形态由于晶体内是指晶体的几何形态由于晶体内部结构在某些不同方向或在同一部结构在某些不同方向或在同一方向的不同位置存在着有规则的方向的不同位置存在着有规则的重复性，从而体现出的在一些不重复性，从而体现出的在一些不同方向上自相重合现象的特性。同方向上自相重合现象的特性。 6、最小内能性：、最小内能性：在相同的热力学条件下，晶体的内能是最小的。在相同的热力学条件下，晶体的内能是最小的。光调制中最为关心的是晶体的光调制中最为关心的是晶体的各向异性各向异性和和对称性对称性晶体光学基础晶体光学基础5、晶体的对称性、晶体的对称性是指晶体的几何形态由于晶体内是指晶体的几何形态由于晶体内部结构在某些不同方向或在同一部结构在某些不同方向或在同一方向的不同位置存在着有规则的方向的不同位置存在着有规则的重复性，从而体现出的在一些不重复性，从而体现出的在一些不同方向上自相重合现象的特性。同方向上自相重合现象的特性。 6、最小内