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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基础
超声行波的情况
假设频率为Ω的超声波是沿x1方向传播的平面纵波，波矢为Ks，则如图4所示，在介质中将引起正弦形式的弹性应变 相应地将引起折射率椭球的变化，声光介质在超声波作用下，折射率沿x1方向出现了正弦形式的增量，因而声光介质沿x1方向的折射率分布为
 
如果光通过这种折射率发生了变化的介质， 就会产生衍射。 根据理论分析，各级衍射光的衍射角θ满足如下关系：
m=0, ±1, … 
相应于第m级衍射的极值光强为 式中，是入射光强，表示光通过声光介质后， 由于折射率变化引起的附加相移，Jm(V)是第m阶贝塞尔函数， 由于 所以，在零级透射光两边，同级衍射光强相等，这种各级衍射光强的对称分布是拉曼－奈斯型衍射的主要特征之一。相应各级衍射光的频率为ω+mΩ，即衍射光相对入射光有一个多普勒频移。
超声驻波的情况
在光电子技术的实际应用中，声光介质中的超声波可能是一个声驻波，在这种情况下，介质中沿x1方向的折射率分布为
n(x1,t)=n0+(Δn)MsinΩtsin Ksx1 
光通过这种声光介质时，其衍射极大的方位角θ仍满足
λssinθ=mλ m=0, ±1, …
各级衍射光强将随时间变化，正比于J2m(VsinΩt)，以 2Ω的频率被调制。这一点是容易理解的: 因为声驻波使得声光介质内各点折射率增量在半个声波周期内均要同步地由“+”变到“-”， 或由“-”变到“+”一次， 故在其越过零点的一瞬间， 各点的折射率增量均为零，此时各点的折射率相等， 介质变为无声场作用情况， 相应的非零级衍射光强必为零。此外，理论分析指出，在声驻波的情况下，零级和偶数级衍射光束中， 同时有频率为ω,ω±2Ω，ω±4Ω，… 的频率成分; 在奇数级衍射光束中，则同时有频率为ω±Ω, ω±3Ω，… 的频率成分
2布拉格衍射
在实际应用的声光器件中，经常采用布拉格衍射方式工作。 布拉格衍射是在超声波频率较高，声光作用区较长，光线与超声波波面有一定角度斜入射时发生的。 这种衍射工作方式的显著特点是衍射光强分布不对称，而且只有零级和+1 或 -1 级衍射光，如果恰当地选择参量，并且超声功率足够强，可以使入射光的能量几乎全部转移到零级或 1 级衍射极值方向上。 因此， 利用这种衍射方式制作的声光器件，工作效率很高。

图5布拉格衍射图
布拉格衍射光强
由光的电磁理论可以证明，对于频率为ω的入射光， 其布拉格衍射的±1 级衍射光的频率为ω±Ω， 相应的零级和 1 级衍射光强分别为

式中，V是光通过声光介质后，由折射率变化引起的附加相移。 可见，当V/2=π／2时，I0=0,I1=Ii。这表明，通过适当地控制入射超声功率可以将入射光功率全部转变为 1 级衍射光功率。根据这一突出特点，可以制作出转换效率很高的声光器件。
实验步骤：
1 采用电源，声波转换器，液体，吸收或反射装置产生行波光栅和驻波光栅，当分别满足拉曼－奈斯衍射、布拉格衍射衍射条件时，进行第2步。
2 记录输入光信号的幅度和频率，当衍射分别满足拉曼－奈斯衍射、布拉格衍射时，记录输出光信号的幅度和频率。
思考题：
1 电光调制属于什么调制，为什么？
2 声光调制属于什么调制，为什么？
3电光调制时光路中加入波片的目的是什么？
4设计实验测量KDP晶体的系数。