Большой энциклопедический словарь:
МОДУЛЯЦИЯ СВЕТА — изменение интенсивности светового потока во времени, которое используется в оптической связи, звукозаписи, ТВ и т. д. В широком смысле — изменение амплитуды, частоты, фазы, поляризации монохроматических световых колебаний по определенному закону.
Большая советская энциклопедия:
Модуляция 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 = (Imах — Imin)/(Imax + Imin) (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 12106 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.
Физический энциклопедический словарь:
(модуляция оптического излучения), изменение во времени по заданному закону амплитуды (интенсивности), частоты, фазы или поляризации колебаний оптического излучения. Применяется для передачи информации с помощью оптич. сигналов или для формирования световых потоков с определ. параметрами. В зависимости от того, какая хар-ка подвергается изменению, различают амплитудную, фазовую, частотную или п о л я р и з а ц и о н н у ю М. с. Для излучений видимого и ближнего ИК диапазонов (1014—8•1014 Гц) возможны частоты модуляции с верх. пределом до 1011—1012 Гц. Естественная М. с. происходит при испускании света элем. излучателями (атомами, ионами); независимость испускания такими излучателями фотонов и различие в частоте последних приводит к тому, что излучение содержит набор частот и флуктуирует по амплитуде, т. е. является амплитудно-частотно-модулпрованным. Естеств. частотная М. с. происходит также при неупругом рассеянии света на внутримолекулярных колебаниях (см. КОМБИНАЦИОННОЕ РАССЕЯНИЕ СВЕТА) и на упругих волнах в конденсиров. средах (см. МАНДЕЛЬШТАМА — БРИЛЛЮЭНА РАССЕЯНИЕ). В обоих случаях рассеянный свет содержит частоты, отличные от частоты падающего света.
М. с., при к-рой преобразование излучения происходит в процессе его формирования непосредственно в источнике оптич. излучения, наз. в н у т р е н н е й М. с. При в н е ш н е й М. с. параметры излучения изменяют после его выхода из источника с помощью модуляторов света. Они характеризуются линейностью модуляц. хар-ки, динамич. диапазоном модулируемых частот, широкой полосой пропускания, потребляемой мощностью, световыми потерями. Т. к. регистрация излучения, модулированного по частоте, фазе или поляризации, сопряжена с технич. трудностями, то на практике все эти виды М. с. преобразуют в амплитудную модуляцию либо непосредственно в модуляторе, либо с помощью спец. устройств, помещаемых перед приёмником излучения.
Простейший модулятор для амплитудной М. с.— устройство, обеспечивающее периодич. прерывание светового потока. С этой целью используют колеблющиеся и вращающиеся заслонки, призмы, зеркала, а также вращающиеся диски с отверстиями, растры. Наиболее широко распространены вращающиеся диафрагмы с определ. сочетанием прозрачных и непрозрачных элементов. При вращении диафрагмы световой поток прерывается с частотой, равной произведению числа модулируемых элементов на частоту вращения диафрагмы.
М. с. осуществляют также на основе физ. эффектов, протекающих при распространении световых потоков в разл. средах (электрооптич., магнитооптич., упругооптич. эффекты). Для такой модуляции применяют управляемый двулучепреломляющий элемент из материала, обладающего естественной или наведённой анизотропией. Внеш. управляющее поле (напр., электрич. поле или поле упругих напряжений) приводит к изменению оптич. хар-к среды. Широкое распространение получили модуляторы на основе Поккельса эффекта, в к-рых фазовый сдвиг между обыкновенным и необыкновенным лучами линейно зависит от величины напряжённости электрич. поля. В модуляторах на основе Керра эффекта разность фаз колебаний обыкновенного и необыкновенного лучей пропорц. квадрату напряжённости электрич. поля. Для получения амплитудной М. с. электрооптич. в-во обычно помещают между скрещёнными поляризаторами. Важным св-вом электрооптич. эффекта явл. его малая инерционность, позволяющая осуществить М. с. вплоть до частот 1012 Гц. В электрооптич. модуляторах ослабление модулирующего сигнала не зависит от интенсивности модулируемого света, и потому для увеличения глубины модуляции используют многократное прохождение света через один и тот же модулирующий сигнал. Примером может служить модулятор на основе интерферометра Фабри — Перо, заполненный электрооптич. средой.
С целью увеличения объёма информации, переносимой световым лучом, используют п р о с т р а н с т в е н н у ю М. с., различную в каждой точке поперечного сечения пучка света. Осн. элемент пространств. модулятора света — кристалл, на поверхности к-рого записывается определ. потенциальный рельеф; проходящий через кристалл пучок света оказывается промодулированным в каждой точке поперечного сечения в соответствии с потенциальным рельефом, записанным на кристалле, при этом модуляция может быть амплитудной и фазовой.
Из многочисл. магнитооптич. эффектов для М. с. наибольшее применение нашёл Фарадея эффект в прозрачных в-вах. Периодически меняющееся магн. поле приводит к периодич. изменению угла вращения плоскости поляризации света, прошедшего через магнитооптич. элемент, помещённый в магн. поле. Угол поворота плоскости поляризации пропорц. длине пути света в в-ве и при достаточной прозрачности среды может быть сделан сколь угодно большим. Важной особенностью магнитооптич. модуляторов явл. постоянство коэфф. Удельного вращения плоскости (Верде постоянная) в ИК диапазоне длин волн. Это повышает конкурентоспособность магнитооптич. устройств при больших длинах волн оптич. излучения по сравнению с электрооптическими, в к-рых управляющее напряжение линейно возрастает с увеличением длины волны света. В магнитооптич. модуляторах света удаётся достичь глубины модуляции (см. МОДУЛЯЦИЯ КОЛЕБАНИЙ) 40% на частотах до 108 Гц.
Для М. с. используют также искусств. оптич. анизотропию, к-рая возникает в иек-рых изотропных тв. телах под воздействием упругих напряжений (фотоупругость). При прохождении плоскополяризованного излучения через фотоупругую среду с наведённым двулучепреломлением излучение становится эллиптически поляризованным. Помещая такую среду между скрещенными поляризатором и анализатором, наблюдают амплитудную М. с., аналогичную модуляции в электрооптич. средах. Применение таких модуляторов особенно целесообразно в ИК диапазоне, т. к. разность фаз колебаний необыкновенного и обыкновенного лучей =n3, где n — показатель преломления, равный 4—6 для в-в, прозрачных в этом диапазоне.
В основе работы акустооптич. модуляторов лежит явление дифракции света на ультразвуке (см. ФОТОАКУСТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ).
Методы, основанные на изменении поглощения света средой, обеспечивают лишь амплитудную М. с. При этом обязательно имеют место потери световой энергии в модулирующем устройстве. Электрич. управление поглощением света (полупроводниками) легко может быть получено либо при изменении концентрации свободных носителей или их подвижности, либо за счёт сдвига края полосы поглощения (Франца — Келдыша эффект).
Внутр. М. с. осуществляют, используя для питания электрич. источников света переменное или пмпульсно-периодич. напряжение. Лампы накаливания при этом из-за своей инерционности дают заметную глубину модуляции лишь до частот =102 Гц; газоразрядные источники света менее инерционны и допускают модуляцию до частот 105 Гц (при глубине модуляции 50— 70%).
Появление лазеров вызвало интенсивное развитие методов внутр. М. с., основанных на управлении когерентным излучением за счёт изменения параметров лазера. При этом многие устройства, размещаемые внутри оптического резонатора лазера, применяются как внеш. модуляторы. Используя разл. способы внутр. модуляции, получают любой вид М. с.: амплитудный, частотный, фазовый и поляризационный. Управление частотой излучения лазера достигается путём изменения добротности оптич. резонатора лазера, напр. изменения оптич. длины резонатора. С этой целью одно из зеркал резонатора закрепляют либо на магнитострикционном стержне (см. МАГНИТОСТРИКЦИОННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ), либо на пьезоэлементе и изменяют длину резонатора синхронно с модулирующим напряжением. Тот же эффект может быть достигнут путём изменения показателя преломления среды, заполняющей резонатор. Для этого внутрь резонатора помещают электрооптич. кристалл. Частотную модуляцию излучения лазера можно получить также при наложении на активную среду магн. или электрич. полей (см. ЗЕЕМАНА ЭФФЕКТ? ШТАРКА ЭФФЕКТ), под действием к-рых происходит расщепление и смещение рабочих уровней атомов, ответственных за генерацию когерентного излучения. Изменяя величину коэфф. усиления, получают амплитудную модуляцию излучения лазера. Для этого воздействуют на разность населённостей активной среды, либо используя вспомогат. возбуждение, приводящее к перераспределению населённостей. Амплитудная модуляция излучения может быть получена и при помощи модуляции тока разряда газовых или ПП лазеров, работающих в непрерывном режиме. Одним из методов управления когерентным излучением с целью получения импульсного излучения явл. модуляция величины обратной связи лазера, т. е. коэфф. отражения зеркал резонатора. С этой целью используют резонатор, одно из зеркал к-рого вращается с большой скоростью, и поэтому условия генерации выполняются лишь в короткие промежутки времени. Вместо зеркал часто используют вращающуюся призму полного внутр. отражения. Изменение величины обратной связи можно также получить, заменяя одно из зеркал на интерферометр Фабри — Перо. Коэфф. отражения такого резонатора зависит от расстояния между зеркалами, меняя к-рое, можно модулировать интенсивность излучения и получать т. н. гигантские импульсы (см. ЛАЗЕР). Наконец, излучение лазеров можно модулировать, изменяя добротность оптич. резонатора путём введения потерь, величина к-рых управляется внеш. сигналом. Для этого используют модуляторы на основе электрооптич. и фотоупругих сред. Для т. н. пассивного управления добротностью используют метод, основанный на введении в резонатор элементов (растворов, стёкол), прозрачность к-рых изменяется под действием светового излучения. Такой вид модуляции (а в т о м о д у л я ц и и) широко используется для генерирования импульсов когерентного излучения нано- и пикосекундного диапазонов. Модуляторы света широко применяются в технике и науч. исследованиях, напр. в оптической связи, в вычислит. технике.
© «СловоТолк.Ру» — толковые и энциклопедические словари, 2007-2020