Модуляция света

Модуля́ция света

Модуляция колебаний электромагнитного излучения оптического диапазона (видимого света, ультрафиолетового и инфракрасного излучений). При М. с. изменяются амплитуда (и следовательно, интенсивность), фаза, частота или поляризация световых колебаний. В любом из этих случаев в конечном счёте меняется совокупность частот, характеризующая излучение, — его гармонический состав. М. с. позволяет «нагружать» световой поток информацией, которая переносится светом и может быть затем извлечена и использована. В принципе количество информации, которое можно передать, модулируя колебания какого-либо вида, тем более велико, чем выше частота этих колебаний (в частности, потому, что с возрастанием частоты модулируемых колебаний — т. н. несущей частоты — появляется возможность увеличить ширину полосы частот модулирующих сигналов; частоты модулирующих колебаний должны быть меньше несущей). Частоты видимого света 10¹⁵—10¹⁶ гц, а всего диапазона оптического излучения — от 10¹² до 10²⁰ гц, т. е. значительно выше, чем у других колебаний, модулируемых с целью передачи информации. Это (а также нередко невозможность решить техническую или научную задачу, не используя оптическое излучение) обусловливает важность и перспективность М. с.

Во многих технических применениях частота модулирующего сигнала настолько мала по сравнению с частотой используемого оптического излучения, что изменение его гармонического состава пренебрежимо мало, и под М. с. понимают периодическое или непериодическое изменение лишь интенсивности излучения. Простейшим, известным с древности примером такой М. с. является световая сигнализация с прерыванием светового потока. В современной технике при подобной М. с. часто важна форма оптических сигналов, которую выбирают наиболее удобной для выполнения конкретной задачи. Это могут быть кратковремеменные импульсы света, сигналы, близкие к прямоугольным, гармоническим и т. д.

Т. н. естественная М. с. происходит уже при испускании света элементарными излучателями (атомами, молекулами, ионами). Конечность времени «высвечивания» таких излучателей (~ 10^-8—10^-9 сек) приводит к некоторому разбросу частот испускаемого ими излучения (см. Монохроматический свет). Естественная М. с. имеет место также при рассеянии света (См. Рассеяние света) и различных взаимодействиях излучателей между собой. Она позволяет изучать процессы как в отдельных излучателях, так и в их системах (см., например, Комбинационное рассеяние света, Мандельштама — Бриллюэна рассеяние).

Во многих случаях, однако, естественное световое излучение можно с достаточной степенью точности рассматривать как монохроматическое (как Гармонические колебания одной единственной частоты) и модулировать его принудительно. Различают внутреннюю М. с., осуществляемую в самом источнике излучения, и внешнюю, производимую с помощью специальных устройств, называемых модуляторами света. (Этими же терминами пользуются и применительно к упомянутой выше «грубой» модуляции немонохроматического света, при которой изменения спектрального состава излучения не играют существенной роли.) Приёмники света всех типов реагируют только на изменение интенсивности света, т. е. амплитуды его колебаний. Поэтому на практике и частотную М. с. (ЧМ), и фазовую (ФМ), и модуляцию по поляризации (ПМ) преобразуют тем или иным способом в амплитудную М. с. (AM) — либо непосредственно в схеме модулятора, либо перед фотоприёмником (т. н. гетеродинный приём). При этом гармонический состав амплитудно-модулированного света зависит от первоначального вида М. с. и способа её преобразования в AM.

Главными параметрами, характеризующими AM света, являются: основная частота и ширина полосы частот модулирующего сигнала, глубина модуляции m = (I_mах — I_min)/(I_max + I_min) (I — световой поток), а также абсолютное значение амплитуды модуляции и прозрачность модулятора (от них зависит мощность сигнала, регистрируемого приёмником). Внутреннюю AM света осуществляют, например, меняя по требуемому закону напряжение и ток питания искусственных источников излучения. Наиболее эффективен этот метод для газоразрядных источников света (См. Газоразрядные источники света) и полупроводниковых излучателей. Внутренняя М. с. широко применяется также в Лазерах (см. ниже).

Простейшими модуляторами света являются механические устройства, позволяющие прерывать на некоторые заданные интервалы времени световой поток. К ним относятся вращающиеся диски с отверстиями (Обтюраторы), Растры, колеблющиеся или вращающиеся заслонки, зеркала, призмы, а также устройства, в которых происходит управляемое модулирующим (не оптическим) сигналом нарушение оптического контакта (См. Оптический контакт). Другой класс приборов, используемых для внешней AM света, составляют модуляторы, действие которых основано на управлении поглощением света в полупроводниках (См. Полупроводники) (см. также Полупроводниковые приборы, Электрооптика). Это поглощение зависит от концентрации и подвижности свободных носителей заряда в полупроводнике (свободных электронов и дырок (См. Дырка)) и может управляться изменением в нём напряжения или тока. Для создания модуляторов света перспективны также прозрачные Ферриты и Антиферромагнетики, изучение свойств которых началось в 60-е гг. 20 в. (см. Магнитооптика).

Механические модуляторы обеспечивают максимальную прозрачность и глубину модуляции, но работают при частотах модулирующего сигнала не свыше 10⁷ гц и не допускают быстрой перестройки частоты (узкополосны). Полупроводниковые модуляторы в принципе могут осуществлять М. с. при частотах до 10¹⁰—10¹¹ гц с шириной полосы, ограничиваемой только параметрами радиотехнической схемы, однако глубина М. с. в таких модуляторах и их общая эффективность невелики вследствие большого поглощения света в полупроводниках и малой электрической прочности (См. Электрическая прочность) полупроводниковых материалов.

Наиболее часто для М. с. используют эффекты, приводящие к изменению преломления показателя (См. Преломления показатель) оптической среды под действием внешнего поля (модулирующего сигнала), — электрооптические (Керра эффект и Поккельса эффект), магнитооптический (Фарадея эффект) и акустооптический. В модуляторах, работающих на этих эффектах, происходит ФМ света (с последующим преобразованием её в AM); поэтому их называют также фазовыми ячейками. Частоты модулирующих сигналов в большинстве оптических сред, заполняющих фазовые ячейки, могут достигать 10¹¹ гц.

При использовании электрооптического эффекта применяют либо схемы типа рис., а, в которых AM является результатом интерференции двух или нескольких ФМ лучей света (см. Интерференция света), либо поляризационные схемы (рис., б); в них ФМ двух взаимно перпендикулярных составляющих линейно-поляризованного света приводит к ПМ, а её преобразование в AM осуществляется в анализаторе (см. Керра ячейка, Поляризация света, Поляризационные приборы).

При использовании эффекта Фарадея (вращения плоскости поляризации (См. Вращение плоскости поляризации) света в магнитном поле) AM света осуществляется по схеме, которая аналогична показанной на рис., б. Частота и ширина полосы частот М. с. электро- или магнитооптическими ячейками в основном определяются параметрами схемы, управляющей их действием, и могут быть сравнительно велики.

Акустооптический эффект заключается в изменении показателя преломления среды под действием упругих напряжений, вызванных акустическими (ультразвуковыми и гиперзвуковыми, см. Гиперзвук) волнами в этой среде. В твёрдых телах (в отличие от жидкостей и газов) при этом дополнительно возникает Двойное лучепреломление. Периодическое изменение направления распространения света в жидкости при прохождении через неё низкочастотной ультразвуковой волны приводит к сканированию светового луча. В поле высокочастотной акустической волны микропериодические изменения показателя преломления образуют структуру, представляющую для света фазовую дифракционную решётку (См. Дифракционная решётка). Дифракция света на бегущей в среде или стоячей (см. Стоячие волны) акустической волне позволяет осуществить AM света по схеме рис., в. В твёрдых телах возможна AM света с помощью акустических волн и в поляризационных схемах типа рис., б (за счёт двойного лучепреломления). Область частот модулирующих сигналов при акустооптических методах М. с. обширна (вплоть до СВЧ диапазона), однако из-за малой скорости звука по сравнению со скоростью света ширина полосы частот невелика — не более 1÷2․10⁶ гц.

Общая эффективность М. с. в значительной степени зависит от параметров световых пучков. Появление Лазеров — вследствие свойственной их излучению высокой степени монохроматичности, малой расходимости и большой энергетической светимости — позволило создать экономичные и эффективные модуляторы по схемам, совершенно непригодным для некогерентных источников света. Оказалось возможным применить некоторые методы внешней модуляции для внутренней модуляции лазеров (модулируя добротность их открытых резонаторов (См. Открытый резонатор) или — в полупроводниковых лазерах (См. Полупроводниковый лазер) и газовых лазерах (См. Газовый лазер) — импульсное питание). М. с. в лазерах используют не только для ввода информации, но и для увеличения мощности излучения (в ряде случаев — на несколько порядков). В твердотельных лазерах, работающих в режиме модуляции добротности резонаторов с помощью ячеек («затворов»), наполненных просветляющимися (при облучении мощным световым пучком) жидкостями, получены наиболее короткие из известных световых импульсов — длительностью ~ 10^-11—10^-12 сек, что соответствует полосе частот 10¹¹—10¹² гц.

М. с. широко применяется в научных исследованиях, в частности при изучении процессов, возбуждаемых светом в веществе, — люминесценции (См. Люминесценция), фотопроводимости (См. Фотопроводимость), фотохимических реакций и пр.; в оптической локации (См. Оптическая локация), служащей для измерения расстояний и скоростей движущихся объектов (см. также Светодальномер, Электрооптический дальномер); в системах оптической связи (См. Оптическая связь), оптической звукозаписи, в оптоэлектронике (См. Оптоэлектроника), фототелеграфии (См. Фототелеграфия) и телевидении (См. Телевидение); при измерении и сравнении световых потоков (см. Фотометрия); измерении малых и сверхмалых (до 10^-12—10^-13 сек) промежутков времени. Кодирование, декодирование и запись информации с помощью М. с. используется в вычислительной технике (См. Вычислительная техника). Акустические методы М. с. применяются в аналоговых вычислительных машинах (См. Аналоговая вычислительная машина).

Лит.: Рытов С. М., Модулированные колебания и волны, «Тр. Физического института АН СССР», 1940, т. 2, № 1; Модуляция и отклонение оптического излучения, М., 1967; Адрианова И. И. [и др.], Фазовая светодальнометрия и модуляция оптического излучения, «Оптико-механическая промышленность», 1970, № 4; Мустель Е. Р., Парыгин В. Н., Методы модуляции и сканирования света, М., 1970; Фабелинский И. Л., Как изучаются быстропротекающие процессы, «Природа», 1973, № 3.

И. И. Андрианова.

Схемы модуляторов света. I₀ — входной световой поток, I — выходной модулированный световой поток. а — интерференционный модулятор. Действие управляющего (модулирующего) напряжения U на фазовую ячейку 1 приводит, в результате изменения показателя преломления среды, заполняющей ячейку, к сдвигу интерференционного максимума в выходном потоке I. Соответственно меняется интенсивность света на выходе модулятора (интерферируют лучи, отражающиеся от зеркал 2 и 3; 4 — полупрозрачное светоотделительное зеркало, 5 — выходное световое окно); б — поляризационный модулятор. Поляризатор 1 и анализатор 3 первоначально скрещены и не пропускают свет. Под действием модулирующего сигнала U плоскость поляризации света в электро- или магнитооптической ячейке 2 поворачивается (или линейная поляризация преобразуется в эллиптическую), и на выходе появляется световой сигнал; в — дифракционный модулятор. Колебания электроокустического преобразователя (пьезокристаллической или пьезокерамической пластинки) 1 с частотой F создают в акустооптической среде 2 ультразвуковую волну, действующую на входной световой поток аналогично дифракционной решётке. В фокальной плоскости объектива 4 периодически возникает и исчезает (в момент прохождения стоячей волны через нуль или при модуляции бегущей акустической волной) дифракционная картина, в каждом максимуме которой (напр., в нулевом, выделяемом щелью 5) интенсивность света промодулирована с частотой 2f или частотой бегущей волны. 3 — отражатель (или поглотитель) ультразвука.