МОДУЛЯЦИЯ СВЕТА

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, к-рая переносится светом и может быть затем извлечена и использована.
В принципе количество информации, к-рое можно передать, модулируя колебания
к.-л. 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 10¹⁵-10¹⁶гц, а всего диапазона
оптич. излучения - от 10¹² до 10²⁰гц, т. е.
значительно
выше, чем у др. колебаний, модулируемых с целью передачи информации. Это
(а также нередко невозможность решить технич. или научную задачу, не используя
оптич. излучение) обусловливает важность и перспективность М. с.

Во мн. технич. применениях частота модулирующего
сигнала настолько мала по сравнению с частотой используемого оптич. излучения,
что изменение его гармонич. состава пренебрежимо мало, и под М. с. понимают
периодич. или не-периодич. изменение лишь интенсивности излучения. Простейшим,
известным с древности примером такой М. с. является световая сигнализация
с прерыванием светового потока. В совр. технике при подобной М. с. часто
важна форма оптич. сигналов, к-рую выбирают наиболее удобной для выполнения
конкретной задачи. Это могут быть кратко-врем. 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 (10⁸-10⁹сек)
приводит
к нек-рому разбросу частот испускаемого ими излучения (см. Монохроматический
свет). Естеств. М. с. имеет место также при
рассеянии света и
различных взаимодействиях излучателей между собой. Она позволяет изучать
процессы как в отд. излучателях, так и в их системах (см., напр., Комбинационное
рассеяние света, Мандельштама- Бриллюэна рассеяние).

Во мн. случаях, однако, естеств. 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 спец. устройств, наз. модуляторами
света. (Этими же терминами пользуются и применительно к упомянутой выше
"грубой" модуляции немонохроматич. света, при к-рой изменения спектрального
состава излучения не играют существ, 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 приё м). При этом гармонич. состав амплитудно-моду-лированного
света зависит от первоначального вида М. с. и способа её преобразования
в AM.

Главными параметрами, характеризующими
AM света, являются: осн. частота и ширина полосы частот модулирующего сигнала,
глубина модуляции т = <= (Imax - Imm)/(Imax + Imin)

световой поток), а также абс. значение
амплитуды модуляции и прозрачность модулятора (от них зависит мощность
сигнала, регистрируемого приёмником). Внутреннюю AM света осуществляют,
напр., меняя по требуемому закону напряжение и ток питания искусств, источников
излучения. Наиболее эффективен этот метод для газоразрядных источников
света и полупроводниковых излучателей. Внутренняя М. с. широко применяется
также в лазерах (см. ниже). Простейшими модуляторами света являются
механич. устройства, позволяющие прерывать на нек-рые заданные интервалы
времени световой поток. К ним относятся вращающиеся диски с отверстиями
(обтюраторы),
растры, колеблющиеся или вращающиеся заслонки, зеркала, призмы, а также
устройства, в к-рых происходит управляемое модулирующим (не оптическим)
сигналом нарушение оптического контакта. Др. класс приборов, используемых
для внешней AM света, составляют модуляторы, действие к-рых основано на
управлении поглощением света в полупроводник. (см. также Полупроводниковые
приборы Электрооптика). Это поглощение зависит от концентрации и подвижности
свободных носителей заряда в полупроводнике (свободных электронов и дырок)
может
управляться изменением в нем напряжения или тока. Для создания модуляторов
света перспективны также прозрачные ферриты и антиферромагнетики,
изучение
свойств к-рых началом в 60-е гг. 20 в. (см. Магнитооптика

Механич. модуляторы обеспечивают макс,
прозрачность и глубину модуляции, но работают при частотах модулирующего
сигнала не св. 10⁷ гц и не допускают быстрой перестройки
частоты (узкополосны). Полупроводниковые модуляторы в принципе могут осуществлять
М. с. при частотах до 10¹⁰-10¹¹ гц шириной
полосы, ограничиваемой только параметрами радиотехнич. схемы, однако глубина
М. с. в таких модулятора и их общая эффективность невелика вследствие большого
поглощения света в полупроводниках и малой электрической прочности полупроводниковых
материалов.

Наиболее часто для М. с. используют эффекты,
приводящие к изменению преломления показателя оптич. среды под действием
внешнего поля (модулирующего сигнала), - электрооптические (Кер-ра 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 наз. также фазовыми ячейками. Частоты
модулирующих сигналов в большинстве оптич. сред, заполняющих фазовые ячейки,
могут достигать 10" гц.

При использовании электрооптич. эффекта
применяют либо схемы типа рис., а, в к-рых AM является результатом
интерференции двух или неск. 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 света в магнитном поле) AM света осуществляется
по схеме, к-рая аналогична показанной на рис., 6. Частота и ширина
полосы частот М. с. электро- или маг-нитооптич. ячейками в основном определяются
параметрами схемы, управляющей их действием, и могут быть сравнительно
велики.

Акустооптич. 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. Периодич. изменение
направления распространения света в жидкости при прохождении через неё
низкочастотной ультразвуковой волны приводит к сканированию светового луча.
В поле высокочастотной акустич. волны микропериодич. изменения показателя
преломления образуют структуру, представляющую для света фазовую дифракционную
решётку. Дифракция света на бегущей в среде или стоячей (см. Стоячие
волны) акустич. волне позволяет осуществить AM света по схеме рис.,
в.
В
твёрдых телах возможна AM света с помощью акустич. воля и в поляризационных
схемах типа рис., б (за счёт двойного лучепреломления). Область
частот модулирующих сигналов при акустооптич. 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 - 2-10⁶гц.

Схемы модуляторов света, /о - входной световой
поток, / - выходной модулированный световой поток, а - интерференционный
модулятор. Действие управляющего (модулирующего) напряжения U на
фазовую ячейку / приводит, в результате изменения показателя преломления
среды, заполняющей ячейку, к сдвигу интерференционного максимума в выходном
потоке /. Соответственно меняется интенсивность света на выходе модулятора
(интерферируют лучи, отражающиеся от зеркал 2 и 3, 4 - полупрозрачное
светоделительное зеркало, 5 - выходное световое окно); 6 - поляризационный
модулятор. Поляризатор / 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 электроакустического
преобразователя (пьезокристаллической или пьезокера-мической пластинки)
/ 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 к-рой (напр.,
в нулевом, выделяемом щелью 5) интенсивность света промоду-лирована с частотой
If
или
частотой бегущей волны. 3 - отражатель (или поглотитель) ультразвука.

Общая эффективность М. с. в значит, степени
зависит от параметров световых пучков. Появление лазеров - вследствие
свойственной ях излучению высокой степени монохроматичности, малой расходимости
и большой энергетич. светимости - позволило создать экономичные и эффективные
модуляторы по схемам, совершенно непригодным для некогерентных источников
света. Оказалось возможным применить нек-рые методы внеш. модуляции для
внутр. модуляции лазеров (модулируя добротность их открытых резонаторов
или
- в полупроводниковых лазерах и газовых лазерах - импульсное
питание). М. с. в лазерах используют не только для ввода информации, но
и для увеличения мощности излучения (в ряде случаев - на неск. 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 10¹¹ -10¹² сек,
что соответствует полосе частот 10¹¹ - 10¹²гц.

М. с. широко применяется в науч. исследованиях,
в частности при изучении процессов, возбуждаемых светом в веществе,- люминесценции,
фотопроводимости, фотохим. реакций и пр.; в оптической локации,
служащей
для измерения расстояний и скоростей движущихся объектов (см. также Светодальномер,
Электрооптический дальномер); в системах оптической связи, оптической
звукозаписи, в оптоэлектронике, фототелеграфии
и телевидении;
при
измерении и сравнении световых потоков (см.
Фотометрия); измерении
малых и сверхмалых (до 10¹²-10¹³сек) промежутков
времени. Кодирование, декодирование и запись информации с помощью М. с.
используется в вычислительной технике. Акустич. методы М. с. применяются
в аналоговых вычислительных машинах. Лит.:
Рыто в С. М., Модулированные
колебания и волны, "Тр. Физического ин-та АН СССР", 1940, т. 2, N 1; Модуляция
и отклонение оптического излучения, М., 1967; Адрианова И. И. [и др.],
Фазовая све-тодальнометрия и модуляция оптического излучения, "Оптико-механическая
промышленность", 1970, № 4; М у с т е л ь Е. Р., Парыгин В. Н., Методы
модуляции и сканирования света, М., 1970; Ф а б е л и н-ский И. Л., Как
изучаются быстропроте-кающие процессы, "Природа", 1973, № 3.

И. И. Андрианова.

А Б В Г Д Е Ё Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ъ Ы Ь Э Ю Я