Модуляція світла - Фізична енциклопедія
МОДУЛЯЦІЯ СВІТЛА (модуляція оптичного випромінювання) - зміна за заданим законом у часі амплітуди (інтенсивності), частоти, фази або поляризації коливань оптич. випромінювання. Застосовується для управління світловими пучками з метою передачі за допомогою оптич. сигналів або для формування світлових потоків з визнач. параметрами. Залежно від того, яка характеристика змінюється, розрізняють амплітудну, фазову, частотну або поляризаційну M. с. Для випромінювань видимого та ближнього ІЧ-діапазонів (10 14 -8 . 10 14 Гц) можливі частоти модуляції з верх, межею до 10 11 - 10 12 Гц. Природна M. с. відбувається при випромінюванні світла елементарними випромінювачами (атомами, іонами); незалежність випромінювання такими випромінювачами фотонів і відмінність у частоті останніх призводить до того, що випромінювання містить набір частот і флуктує по амплітуді, тобто є амплітудно-частотно-модульованим. природ. частотна M. с. відбувається також при непружному розсіюванні світла на внутрішньомолекулярних коливаннях (див. Комбінаційне розсіювання світла) і пружних хвилях в конденсиров. середовищах (див. Мандельштама - Бріллюена розсіювання ).В обох випадках розсіяне світло містить частоти, відмінні від частоти падаючого світла.
M. с., при якій перетворення випромінювання відбувається в процесі його формування безпосередньо в джерелі (генераторі) оптич. випромінювання, зв. внутрішньої M. с. При зовнішній M. с. параметри випромінювання змінюють після виходу з джерела за допомогою модуляторів світла. T. к. реєстрація випромінювання модульованого за частотою, фазою або поляризації пов'язана з техн. труднощами, то практично всі ці види M. с. перетворюють на амплітудну модуляцію або у схемі модулятора, або з допомогою спец. пристроїв,розміщені перед приймачем випромінювання.
Найпростіша амплітудна M. с. це періодич. меха-ніч. переривання світлового потоку за допомогою коливань і обертових заслінок, призм, дзеркал, дисків, що обертаються з отворами, растрів.
Існує багато способів M. с. на основі фіз. ефектів (електрооптичний, магнітооптичний, упру-гооптичний та ін), що виникають при поширенні світла в разл. середовищах. Для такої M. с. застосовують керований двопроменеломлюючий елемент з матеріалу, що володіє природною або наведеною анізотропією. Зовніш. керуюче поле (напр., електричне або поле пружної напруги) призводить до зміни оптич. Показників середовища. У широко поширених модуляторах на основі ефекту Поккельса фазовий зсув між звичайним і незвичайним променями лінійно залежить від величини напруженості електрич. поля, а в модуляторах на основі ефекту Керра - залежність квадратична. Для отримання амплітудної M. с. електрооптич. речовину зазвичай поміщають між схрещеними поляризаторами. Важливою властивістю електрооптич. ефекту є його мала інерційність, що дозволяє здійснювати M. с. аж до частот 1012 Гц. В електрооптіч. Модулятори ослаблення модулюючого сигналу не залежить від інтенсивності модулируемого світла, і тому для збільшення глибини модуляції використовують багаторазове проходження світла через один і той же модулюючий кристал. Прикладом може бути модулятор на основі інтерферометра Фабрі - Перо, заповненого електрооптич. середовищем.
З метою збільшення обсягу інформації, що переноситься світловим променем, використовують просторову M. с., Різну в кожній точці поперечного перерізу пучка світла. основ. елемент простору. модулятора світла - кристал, на поверхні якого записується визнач. потенційнийрельєф; пучок світла, що проходить через кристал, виявляється промо-дульованим у кожній точці поперечного перерізу відповідно до потенційного рельєфу, записаного на кристалі, при цьому модуляція може бути амплітудною і фазовою.
З багаточисельних. магнітооптич. ефектів для M. с. наиб. застосування знайшов Фарадея ефект у прозорих речовинах. Періодично мінливе магн. поле призводить до періодич. зміни кута обертання площини поляризації світла, що пройшло через магнітооптич. елемент, поміщений магн. поле. Кут повороту поверхні поляризації пропорц. довжині шляху світла в речовині і за достатньої прозорості середовища може бути зроблений як завгодно великим. Важливою особливістю магнітооптич. Модуляторами є сталість коеф. питомого обертання поверхні поляризації в ІЧ-діапазоні довжин хвиль. Це підвищує конкурентоспроможність магнітооптич. пристроїв при великих довжинах хвиль оптич. випромінювання в порівнянні з електрооптичних, в яких брало керуюча напруга лінійно зростає зі збільшенням довжини хвилі світла. У магнітооптич. Модулятори світла вдається досягти глибини модуляції 40% на частотах модуляції до 108 Гц.
Для M. с. використовують також штучну оптич. анізотропію, яка виникає в спочатку ізотропних твердих тілах під дією пружних напруг (фотопружність). При проходженні плоскополяризів. випромінювання через фотопружне середовище з наведеним двопроменеломленням випромінювання стає еліптично поляризованим. Поміщаючи таке середовище між схрещеними поляризатором і аналізатором, спостерігають амплітудну M. с., аналогічну модуляції електрооптич. середовищах. Застосування таких модуляторів особливо доцільно в ІЧ-діапазоно, т. К. Різниця фаз коливань звичайного і незвичайного променів n 3 де n - показник заломлення, рівний 4 6для прозорих речовин у цьому діапазоні.
В основі роботи акустооптич. Модулятор лежить явище дифракції світла на фазовій решітці, утвореної періодич. зміною показника заломлення середовища при проходженні через неї УЗ-хвиль (див. Дифракція світла на ультразвуку).
Методи, засновані на зміні поглинання світла середовищем, забезпечують лише амплітудну M. с. При цьому обов'язково мають місце втрати світлової енергії в пристрої, що модулює. Електрич. керування поглинанням світла напівпровідниками легко може бути отримано або за зміни концентрації вільних носіїв або їх рухливості, або за рахунок зсуву краю смуги поглинання (Келдиша - Франца ефект).
Внутрішню M. с. здійснюють, використовуючи для живлення електрич. джерел світла змінне або імпульсно-періодич. напруга. Лампи розжарювання при цьому через свою інерційність дають помітну глибину модуляції лише до частот
10 2 Гц; газорозрядні джерела світла менш інерційні і допускають модуляцію до частот 105 Гц (при глибині модуляції 50-70%).
Поява лазерів викликала інтенсивний розвиток методів внутрішньо. M. с., заснованих на управлінні когерентним випромінюванням за рахунок зміни параметрів лазера. У цьому багато. пристрої, що застосовуються як зовніш. модулятори, що містяться всередині оптичного резонатора лазера. Використовуючи разл. методи внутр. модуляції, отримують будь-який вид M. с.: амплітудний, частотний, фазовий та поляризаційний. Частотою випромінювання лазера управляють, змінюючи добротність оптичних. напр. змінюючи оптич. довжину резонатора. З цією метою одне із дзеркал резонатора закріплюють або на магнітострикційному стрижні (див. Магнітострикційний перетворювач ), або на п'є-зоелементі і змінюють довжину резонатора синхронно з модулюючим напругою.Той самий ефект досягається шляхом зміни показника заломлення середовища, що заповнює резонатор, для чого використовується електрооптич. кристал. Частотну модуляцію випромінювання лазера можна також отримати при накладенні на активне середовище магн. або електрич. полів (див. Зеемана ефект, Штарка ефект), під дією яких брало відбувається розщеплення і зміщення робочих рівнів атомів, відповідальних за генерацію когерентного отримання. Змінюючи величину коеф. посилення, одержують амплітудну модуляцію випромінювання лазера. Для цього впливають на різницю населення активного середовища, або змінюючи потужність се збудження, або використовуючи допоміж. збудження, що веде до перерозподілу населення. Амплітудна модуляція випромінювання може бути отримана за допомогою модуляції струму розряду газових або напівпровідникових лазерів, що працюють у безперервному режимі. Однією з методів управління когерентним випромінюванням є модуляція величини зворотний зв'язок лазера, т. е. коэф. відображення дзеркал резонатора. З цією метою використовують резонатор, одне з дзеркал якого обертається з великою швидкістю, і тому умови генерації виконуються лише в короткі проміжки часу. Замість дзеркал часто використовують призму, що обертається, повного всередину. відображення. Зміну величини зворотного зв'язку можна отримати, замінюючи одне із дзеркал на систему дзеркал, що утворюють інтерферометр Фабрі – Перо. Коеф. відображення такого резонатора залежить від відстані між дзеркалами, змінюючи до-рої можна модулювати інтенсивність випромінювання і отримувати т.з. гігантські імпульси, потужність випромінювання в яких брало істотно перевищує потужність безперервної генерації. Нарешті, випромінювання лазерів також модулюють, змінюючи добротність оптичних. резонатора шляхом введення втрат, величина яких брало управляється внеш. сигналом. Для цього використовують модулятори наоснові електрооптич. та фотопружних середовищ. Для т.д. "пасивного" управління добротністю застосовують метод, заснований на введенні в резонатор елементів (розчинів, стекол), прозорість яких брало змінюється під дією світлового випромінювання. Такий вид модуляції (автомодуляції) широко використовується для генерування імпульсів когерентного випромінювання нано-і пі-косекундного діапазонів.
Цікавою нагодою внутр. M. с. є режим синхронізації мод, який здійснюється при модуляції добротності (довжини резонатора) з частотою, близькою до частоти мсжмодових биття лазера. При синхронізації мод лазер генерує короткі та потужні імпульси, що йдуть один за одним з частотою зовніш. модуляції.
Літ. див. при ст. Модулятори світла. A. H. Капорський.