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 (~10~⁸-10~⁹сек) 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.

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 ~ 10~¹¹ -10~¹² 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 10~¹²-10~¹³сек) 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.