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光学基础
§ 1.2.3光调制回目录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。
一、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。
下面介绍几种常用的光强度调制装置：
1、调制盘最简单的调制盘，有时叫做斩波器，如图 1.2.3-1a
所示，在圆形板上由透明和不透明相同的扇形区构成。
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2
光学基础
§ 1.2.3光调制回目录当盘旋转时，通过盘的光脉冲周期性的变化，光脉冲的形状决定于扇形尺寸和光源在盘上的像的大小和形状。如果光源聚焦在盘上成一极小的园，如 M
点，则通过盘的光脉冲为矩形波。如果光源在盘的像较大，如 P点的圆，则盘旋转时，黑的扇形逐步遮盖光斑，通过盘的光强近乎正弦地变化。如欲调制线光源（图 1.2.3-
1b），
图 1.2.3-1a 调制盘上一页 下一页回首页 回末页 结束第一章第一章光电信息技术物理基础
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光学基础
§ 1.2.3光调制回目录可把线光源 1放于圆筒 2
的中心轴上，在圆筒的表面上有相隔等距离的狭缝
3，圆筒的前面放置缝隙光阑 4，仅当圆筒的狭缝与光阑的狭缝对准时，有光通过光阑，而当圆筒旋转时，可得到线状的调制光。
图 1.2.3-1b 调制线光源2、利用电磁感应的机械调制图 1.2.3-2所示是一种原理图
3、受抑全反射调制器其原理如图 1.2.3-3所示上一页 下一页回首页 回末页 结束第一章第一章光电信息技术物理基础
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光学基础
§ 1.2.3光调制回目录二,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。但是，目前市场上的各类光探测器都是不能感知光波相位的变化，必须采用光的干涉技术将相位变化转变为光强变化，才能实现对外界物理量的检测，因此，光相位调制应包括两部分，一是产生光波相位变化的物理机理；二是光的干涉。
1、利用干涉现象实现光相位调制利用干涉现象调制的关键是对光程差或相位差进行调制。图 1.2.3-6所示是利用迈克尔逊干涉仪附加压电晶体来完成光调制的原理图。
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光学基础
§ 1.2.3光调制回目录图 1.2.3-6 干涉调制原理上一页 下一页回首页 回末页 结束第一章第一章光电信息技术物理基础
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光学基础
§ 1.2.3光调制回目录
2,利用声光效应的光相位调制光波在传播时被超声波衍射的现象叫做声光效应。光束与声束之间的相互作用而导致光束的偏转，以及光束在偏振性、振幅、频率及相位上的变化。众所周知，在石英晶片或电气石晶片中加频率较高的电压时，可以激发频率很高的机械振动（由于它们有反压电效应，频率可达到每秒 108次），这种振动着的晶片将辐射超声波向周围媒质中传播。把振动着的石英放在某液体中，就可得到在这种液体中产生的超声波。液体中的弹性波是一种压缩与疏松的波，它以一定的速度传播着。这样一来，在液体中便形成周期地互相交替地一组压缩与疏松地区域。在此区域中折射率不同。如果使超声波从容器的底部反射，则入射波与反射波的叠加将形成超声波的驻波。它也是一个密度周期性变化着的结构，从而是光的折射率周期性变化着的结构，
因此，我们可以把声光介质看作一个立体光栅。
光束在声光介质中的超声波上的衍射示意见图 1.2.3-7。
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§ 1.2.3光调制回目录图 1.2.3-7液体中的超声波上的衍射示意图上一页 下一页回首页 回末页 结束第一章第一章光电信息技术物理基础
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§ 1.2.3光调制回目录三,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 I0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。下面介绍采用电光效应和磁光效应实现的光偏振调制。
1、采用电光效应实现的光偏振调制电光效应指的是介质或晶体在电场作用下，其光学性质发生变化的各种现象。目前在电光效应方面主要以 电致旋光效应,克尔效应 和 泡克耳效应 来获得光偏振调制。
2,采用磁光效应实现的光偏振调制磁光效应指的是介质或晶体在磁场作用下，其光学性质发生变化的各种现象。目前在磁光效应方面，主要是利用,法拉第”旋光效应 和 科登 —穆顿效应 来获得光偏振调制。
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§ 1.2.3光调制回目录四、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。
1、频率调制光的频率调制，主要是指光学多普勒频移。光学中的多普勒现象是指由于观测者和运动目标的相对运动，使观测者接收到的光波频率产生变化的现象。实际中大多数考虑移动物体所散射光的频移，这种情况可当作一个双重多普勒频移来考虑，即先从光源到移动的物体，然后由物体到观测者。
设光源和观测者都相对静止，物体以 V速度移动（见图
1.2.3-16），
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光学基础
§ 1.2.3光调制回目录
Q
S P
B
β
θ2
ν
αθ1
图 1.2.3-16 多普勒频移上一页 下一页回首页 回末页 结束第一章第一章光电信息技术物理基础
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§ 1.2.3光调制回目录从光源 S发出频率为 ν 的光被物体 P散射,P所观测到的频率为
（ 1）
该频率的光又被 P重新发射出来，在 Q处接收到的频率为
（ 2）
将式（ 1）代入式（ 2）并考虑实际物体速度 V要比光速 c
小得多，可近似地求双重多普勒频移表达式
（ 3）
令则式（ 3）可整理得上一页 下一页回首页 回末页 结束第一章第一章光电信息技术物理基础
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光学基础
§ 1.2.3光调制回目录多普勒频移可采用光混频技术来测量,即将两束频率不同的光混频,获取差频信号的光学零差和外差技术 。
设一束散射光与另一束参考光的频率分别为,
，它们到达光电探测器表面的电场强度分别为式中 E01,E02为两束光在光电探测器表面处的振幅； φ 1、
φ 2为两束光的初相 。
若两束光为相干光,在光电探测器表面产生混频,其合成的总电场强度为检测器输出的光信号 I(t)正比于总电场的平方上一页 下一页回首页 回末页 结束第一章第一章光电信息技术物理基础
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§ 1.2.3光调制回目录式中 B是常数 。
对上式作三角变换,略去光学频率项,因为在检测器输出中不能观察到此频率,所以检测器输出光信号为式中第一项是直流分量,可用电容隔去；第二项是交流分量,其中交流频率正是多普勒频移 △ ν 。
激光多普勒测速技术就是根据光频调制和光混频技术发展起来的,它是研究流体流动的有效手段,它的主要特点是空间分辨率和光束不干扰流动,并具有跟踪快速变化的能力 。
2、波长调制
（ 1）利用热色物质的颜色变化进行波长调制这种调制的原理如图 1.2.3-17 a 所示。
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§ 1.2.3光调制回目录图 1.2.3-17 热色物质颜色变化的波长调制上一页 下一页回首页 回末页 结束第一章第一章光电信息技术物理基础
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光学基础
§ 1.2.3光调制回目录
60 W 的钨丝灯光经过光纤进入热变色溶液（如溶于异丙醇溶液中的 CoCl3 ·6H2 O,其反射光被另一光纤接收后，分两束分别经过波长为 650 nm 和 800 nm 的滤光片，最后由光电探测器接收。这种热变色溶液的光强与温度的关系如图 1.2.3-17 b 所示。温度为 20o C
时，在 500 nm 处有个吸收峰，溶液呈红色；温度升到
75o C 时，在 650 nm 处也有一个吸收峰，溶液呈绿色。
在波长为 650 nm 时，光强随温度变化最灵敏；在波长为 800 nm 时，光强与温度无关。因此，选这两个波长进行检测（即波长检测）就能确定外界物理量。
（ 2）利用磷光（荧光）光谱的变化进行波长调制
（ 3）利用黑体辐射进行波长调制上一页 下一页回首页 回末页 结束第一章第一章光电信息技术物理基础
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光学基础
§ 1.2.3光调制回目录图 1.2.3-19 黑体辐射的波长调制图 1.2.3-19 是黑体辐射的调制原理，它不需要外加光源，而且简单的由探头尖端（即黑体腔）收集黑体的光谱辐射，然后通过光纤把这种宽频带的辐射传送到分光仪或光片，根据普朗克提出的辐射亮度与波长的关系随温度变化的公式，通过双波长或单波长检测就能测出黑体的温度。
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§ 1.2.3光调制回目录
（ 4） 利用光器参数的变化进行波长调制其原理如图 1.2.3-20 a 所示。
图 1.2.3-20 光器参数变化的波长调制上一页 下一页回首页 回末页 结束第一章第一章光电信息技术物理基础
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光学基础
§ 1.2.3光调制回目录图 1.2.3-20 b 是另一种改变光参数的方法。
其调制原理是：当白色光通过处于正交偏振态之间的铌酸锂晶体时，由于外界因素（如温度等）
的变化，晶体产生双折射，采用栅状滤色片就能检测波长（颜色）的变化，其具体关系为
I = sin2 [π(no - ne)d/λ]
式中,Io 为光源强度； I 为透射光强度； no
为寻常光折射率； ne 为非寻常光折射率； d 为晶体厚度； λ为波长。光强的变化是由于 no - ne
的变化而引起的，它与温度有关。
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§ 1.2.3光调制回目录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。
一、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。
下面介绍几种常用的光强度调制装置：
1、调制盘最简单的调制盘，有时叫做斩波器，如图 1.2.3-1a
所示，在圆形板上由透明和不透明相同的扇形区构成。
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§ 1.2.3光调制回目录当盘旋转时，通过盘的光脉冲周期性的变化，光脉冲的形状决定于扇形尺寸和光源在盘上的像的大小和形状。如果光源聚焦在盘上成一极小的园，如 M
点，则通过盘的光脉冲为矩形波。如果光源在盘的像较大，如 P点的圆，则盘旋转时，黑的扇形逐步遮盖光斑，通过盘的光强近乎正弦地变化。如欲调制线光源（图 1.2.3-
1b），
图 1.2.3-1a 调制盘上一页 下一页回首页 回末页 结束第一章第一章光电信息技术物理基础
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§ 1.2.3光调制回目录可把线光源 1放于圆筒 2
的中心轴上，在圆筒的表面上有相隔等距离的狭缝
3，圆筒的前面放置缝隙光阑 4，仅当圆筒的狭缝与光阑的狭缝对准时，有光通过光阑，而当圆筒旋转时，可得到线状的调制光。
图 1.2.3-1b 调制线光源2、利用电磁感应的机械调制图 1.2.3-2所示是一种原理图
3、受抑全反射调制器其原理如图 1.2.3-3所示上一页 下一页回首页 回末页 结束第一章第一章光电信息技术物理基础
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§ 1.2.3光调制回目录二,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。但是，目前市场上的各类光探测器都是不能感知光波相位的变化，必须采用光的干涉技术将相位变化转变为光强变化，才能实现对外界物理量的检测，因此，光相位调制应包括两部分，一是产生光波相位变化的物理机理；二是光的干涉。
1、利用干涉现象实现光相位调制利用干涉现象调制的关键是对光程差或相位差进行调制。图 1.2.3-6所示是利用迈克尔逊干涉仪附加压电晶体来完成光调制的原理图。
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§ 1.2.3光调制回目录
2,利用声光效应的光相位调制光波在传播时被超声波衍射的现象叫做声光效应。光束与声束之间的相互作用而导致光束的偏转，以及光束在偏振性、振幅、频率及相位上的变化。众所周知，在石英晶片或电气石晶片中加频率较高的电压时，可以激发频率很高的机械振动（由于它们有反压电效应，频率可达到每秒 108次），这种振动着的晶片将辐射超声波向周围媒质中传播。把振动着的石英放在某液体中，就可得到在这种液体中产生的超声波。液体中的弹性波是一种压缩与疏松的波，它以一定的速度传播着。这样一来，在液体中便形成周期地互相交替地一组压缩与疏松地区域。在此区域中折射率不同。如果使超声波从容器的底部反射，则入射波与反射波的叠加将形成超声波的驻波。它也是一个密度周期性变化着的结构，从而是光的折射率周期性变化着的结构，
因此，我们可以把声光介质看作一个立体光栅。
光束在声光介质中的超声波上的衍射示意见图 1.2.3-7。
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§ 1.2.3光调制回目录三,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 I0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。下面介绍采用电光效应和磁光效应实现的光偏振调制。
1、采用电光效应实现的光偏振调制电光效应指的是介质或晶体在电场作用下，其光学性质发生变化的各种现象。目前在电光效应方面主要以 电致旋光效应,克尔效应 和 泡克耳效应 来获得光偏振调制。
2,采用磁光效应实现的光偏振调制磁光效应指的是介质或晶体在磁场作用下，其光学性质发生变化的各种现象。目前在磁光效应方面，主要是利用,法拉第”旋光效应 和 科登 —穆顿效应 来获得光偏振调制。
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§ 1.2.3光调制回目录四、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。
1、频率调制光的频率调制，主要是指光学多普勒频移。光学中的多普勒现象是指由于观测者和运动目标的相对运动，使观测者接收到的光波频率产生变化的现象。实际中大多数考虑移动物体所散射光的频移，这种情况可当作一个双重多普勒频移来考虑，即先从光源到移动的物体，然后由物体到观测者。
设光源和观测者都相对静止，物体以 V速度移动（见图
1.2.3-16），
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S P
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§ 1.2.3光调制回目录从光源 S发出频率为 ν 的光被物体 P散射,P所观测到的频率为
（ 1）
该频率的光又被 P重新发射出来，在 Q处接收到的频率为
（ 2）
将式（ 1）代入式（ 2）并考虑实际物体速度 V要比光速 c
小得多，可近似地求双重多普勒频移表达式
（ 3）
令则式（ 3）可整理得上一页 下一页回首页 回末页 结束第一章第一章光电信息技术物理基础
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§ 1.2.3光调制回目录多普勒频移可采用光混频技术来测量,即将两束频率不同的光混频,获取差频信号的光学零差和外差技术 。
设一束散射光与另一束参考光的频率分别为,
，它们到达光电探测器表面的电场强度分别为式中 E01,E02为两束光在光电探测器表面处的振幅； φ 1、
φ 2为两束光的初相 。
若两束光为相干光,在光电探测器表面产生混频,其合成的总电场强度为检测器输出的光信号 I(t)正比于总电场的平方上一页 下一页回首页 回末页 结束第一章第一章光电信息技术物理基础
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§ 1.2.3光调制回目录式中 B是常数 。
对上式作三角变换,略去光学频率项,因为在检测器输出中不能观察到此频率,所以检测器输出光信号为式中第一项是直流分量,可用电容隔去；第二项是交流分量,其中交流频率正是多普勒频移 △ ν 。
激光多普勒测速技术就是根据光频调制和光混频技术发展起来的,它是研究流体流动的有效手段,它的主要特点是空间分辨率和光束不干扰流动,并具有跟踪快速变化的能力 。
2、波长调制
（ 1）利用热色物质的颜色变化进行波长调制这种调制的原理如图 1.2.3-17 a 所示。
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60 W 的钨丝灯光经过光纤进入热变色溶液（如溶于异丙醇溶液中的 CoCl3 ·6H2 O,其反射光被另一光纤接收后，分两束分别经过波长为 650 nm 和 800 nm 的滤光片，最后由光电探测器接收。这种热变色溶液的光强与温度的关系如图 1.2.3-17 b 所示。温度为 20o C
时，在 500 nm 处有个吸收峰，溶液呈红色；温度升到
75o C 时，在 650 nm 处也有一个吸收峰，溶液呈绿色。
在波长为 650 nm 时，光强随温度变化最灵敏；在波长为 800 nm 时，光强与温度无关。因此，选这两个波长进行检测（即波长检测）就能确定外界物理量。
（ 2）利用磷光（荧光）光谱的变化进行波长调制
（ 3）利用黑体辐射进行波长调制上一页 下一页回首页 回末页 结束第一章第一章光电信息技术物理基础
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§ 1.2.3光调制回目录图 1.2.3-19 黑体辐射的波长调制图 1.2.3-19 是黑体辐射的调制原理，它不需要外加光源，而且简单的由探头尖端（即黑体腔）收集黑体的光谱辐射，然后通过光纤把这种宽频带的辐射传送到分光仪或光片，根据普朗克提出的辐射亮度与波长的关系随温度变化的公式，通过双波长或单波长检测就能测出黑体的温度。
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（ 4） 利用光器参数的变化进行波长调制其原理如图 1.2.3-20 a 所示。
图 1.2.3-20 光器参数变化的波长调制上一页 下一页回首页 回末页 结束第一章第一章光电信息技术物理基础
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§ 1.2.3光调制回目录图 1.2.3-20 b 是另一种改变光参数的方法。
其调制原理是：当白色光通过处于正交偏振态之间的铌酸锂晶体时，由于外界因素（如温度等）
的变化，晶体产生双折射，采用栅状滤色片就能检测波长（颜色）的变化，其具体关系为
I = sin2 [π(no - ne)d/λ]
式中,Io 为光源强度； I 为透射光强度； no
为寻常光折射率； ne 为非寻常光折射率； d 为晶体厚度； λ为波长。光强的变化是由于 no - ne
的变化而引起的，它与温度有关。
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