МОДУЛЯ́ЦИЯ СВЕ́ТА

МОДУЛЯ́ЦИЯ СВЕ́ТА, из­ме­не­ние ха­рак­те­ри­стик све­то­вых волн – ам­пли­ту­ды (ин­тен­сив­но­сти), час­то­ты, фа­зы или по­ля­ри­за­ции – с це­лью пе­ре­да­чи ин­фор­ма­ции или соз­да­ния све­то­во­го по­то­ка с оп­ре­де­лён­ны­ми свой­ст­ва­ми. Воз­мож­на и ес­те­ст­вен­ная М. с., воз­ни­каю­щая при не­за­ви­си­мом ис­пус­ка­нии фо­то­нов оди­ноч­ны­ми ато­ма­ми или при рас­сея­нии све­та (см. Ком­би­на­ци­он­ное рас­сея­ние све­та, Ман­дель­шта­ма – Брил­лю­эна рас­сея­ние). В за­ви­си­мо­сти от то­го, ка­кой па­ра­метр ме­ня­ет­ся, раз­ли­ча­ют ам­пли­туд­ную (АМ), фа­зо­вую (ФМ), час­тот­ную (ЧМ) и по­ля­ри­за­ци­он­ную (ПМ) мо­ду­ля­ции.

М. с. мо­жет быть внут­рен­ней и внеш­ней. Внутр. М. с. осу­ще­ст­в­ля­ет­ся в са­мом ис­точ­ни­ке, напр. в ре­зо­на­то­ре ла­зе­ра (мо­ду­ля­ция доб­рот­но­сти и др.). При внеш­ней М. с. па­ра­мет­ры из­лу­че­ния ме­ня­ют по­сле его вы­хо­да из ис­точ­ни­ка с по­мо­щью мо­ду­ля­то­ров све­та. Про­ще все­го осу­ще­ст­вить АМ све­та, ме­няя яр­кость ис­точ­ни­ка (внутр. М. с.) или ко­эф. про­пус­ка­ния внеш­не­го пре­об­ра­зо­ва­те­ля. Гл. па­ра­мет­ры, ха­рак­те­ри­зую­щие AM све­та: не­су­щая час­то­та, ши­ри­на по­ло­сы час­тот мо­ду­ли­рую­ще­го сиг­на­ла, глу­би­на мо­ду­ля­ции $m=(I_{\text{max}}-I_{\text{min}})/(I_{\text{max}}+I_{\text{min}})$, где $I_{\text{min}}$ и $I_{\text{max}}$ – ми­ни­маль­ная и мак­си­маль­ная ин­тен­сив­но­сти све­та, а так­же аб­со­лют­ное зна­че­ние ам­пли­ту­ды мо­ду­ля­ции и про­зрач­ность мо­ду­ля­то­ра. Про­стей­шая АМ про­ис­хо­дит в ре­зуль­та­те пре­ры­ва­ния све­то­во­го по­то­ка с по­мо­щью вра­щаю­щих­ся за­сло­нок, зер­кал, дис­ков с от­вер­стия­ми. Ме­ха­нич. мо­ду­ля­то­ры обес­пе­чи­ва­ют макс. про­зрач­ность и глу­би­ну мо­ду­ля­ции, но ра­бо­та­ют при час­то­тах мо­ду­ли­рую­ще­го сиг­на­ла не вы­ше 10⁷ Гц и не до­пус­ка­ют бы­ст­рой пе­ре­строй­ки час­то­ты (уз­ко­по­лос­ные мо­ду­ля­то­ры). По­лу­про­вод­ни­ко­вые мо­ду­ля­то­ры мо­гут осу­ще­ст­в­лять М. с. при час­то­тах до 10¹⁰– 10¹¹ Гц с ши­ри­ной по­ло­сы, ог­ра­ни­чи­вае­мой толь­ко па­ра­мет­ра­ми ра­дио­тех­нич. схе­мы. Од­на­ко глу­би­на М. с. в та­ких мо­ду­ля­то­рах и их об­щая эф­фек­тив­ность не­ве­ли­ки вслед­ст­вие боль­шо­го по­гло­ще­ния све­та в по­лу­про­вод­ни­ках и ма­лой элек­трич. проч­но­сти по­лу­про­вод­ни­ко­вых ма­те­риа­лов. По­это­му бо­лее пред­поч­ти­тель­но ис­поль­зо­ва­ние эф­фек­тов, при­во­дя­щих к из­ме­не­нию по­ка­за­те­ля пре­лом­ле­ния оп­тич. сре­ды (ФМ) или со­стоя­ния по­ля­ри­за­ции све­та (ПМ) управ­ляе­мы­ми по­ля­ри­за­то­ра­ми или фа­зо­вы­ми пла­стин­ка­ми. Из­ме­не­ние по­ка­за­те­ля пре­лом­ле­ния и со­стоя­ния по­ля­ри­за­ции мо­жет быть свя­за­но с внеш­ним воз­дей­ст­ви­ем, напр. элек­тро­оп­ти­че­ски­ми эф­фек­том Кер­ра и эф­фек­том Пок­кель­са, маг­ни­тооп­тич. эф­фек­том Фа­ра­дея и аку­сто­оп­тич. ди­фрак­ци­ей (см. Ди­фрак­ция све­та на ульт­ра­зву­ке). В мо­ду­ля­то­рах, ра­бо­таю­щих на этих эф­фек­тах, про­ис­хо­дит ФМ или ПМ све­та фа­зо­вы­ми пла­стин­ка­ми (с по­сле­дую­щим пре­об­ра­зо­ва­ни­ем её в AM), по­это­му их на­зы­ва­ют так­же фа­зо­вы­ми ячей­ка­ми. Час­то­ты мо­ду­ли­рую­щих сиг­на­лов в боль­шин­ст­ве оп­тич. сред, за­пол­няю­щих фа­зо­вые ячей­ки, мо­гут дос­ти­гать 10¹² Гц, а при све­то­вом внеш­нем воз­дей­ст­вии – управ­ле­нии све­та све­том – и бо­лее. Для уве­ли­че­ния ин­фор­ма­тив­но­сти све­то­вых сиг­на­лов ис­поль­зу­ют про­стран­ст­вен­ную М. с. – из­ме­не­ние их ха­рак­те­ри­стик в по­пе­реч­ном се­че­нии. Про­стей­ший внеш­ний пас­сив­ный мо­ду­ля­тор – изо­бра­же­ние на фо­то­пла­сти­не или растр, ак­тив­ный – фо­то­ди­од­ная мат­ри­ца или элек­трон­но-лу­че­вая труб­ка.

Фокусировка и дефокусировка лазерного пучка с гауссовым распределением интенсивности, проходящегочерез кварц.

Клас­си­фи­ка­ция М. с. на АМ, ФМ, ЧМ и ПМ но­сит ус­лов­ный ха­рак­тер, по­сколь­ку лю­бые пре­об­ра­зо­ва­ния сиг­на­ла ве­дут к из­ме­не­нию его час­тот­но­го ли­бо про­стран­ст­вен­но­го спек­тра (уг­ло­вой рас­хо­ди­мо­сти). Наи­бо­лее ха­рак­тер­но это для ЧМ, при ко­то­рой не­по­сред­ст­вен­но воз­дей­ст­ву­ют на не­су­щую час­то­ту, а так­же для ФМ, по­сколь­ку фа­за яв­ля­ет­ся ин­те­гра­лом час­то­ты по вре­ме­ни. Яр­кий при­мер ис­поль­зо­ва­ния ЧМ – сжа­тие сверх­ко­рот­ко­го им­пуль­са. Мо­но­тон­но про­мо­ду­ли­ро­ван­ный по час­то­те сверх­ко­рот­кий им­пульс про­пус­ка­ет­ся че­рез дис­пер­ги­рую­щую сре­ду, где ско­ро­сти рас­про­стра­не­ния час­тот­ных ком­по­нент раз­лич­ны, при этом мож­но за­тор­мо­зить пе­ред­ний фронт им­пуль­са по от­но­ше­нию к зад­не­му и, сле­до­ва­тель­но, сжать его. В не­ли­ней­ной сре­де, свой­ст­ва ко­то­рой за­ви­сят от про­хо­дя­ще­го че­рез неё из­лу­че­ния, мож­но осу­ще­ст­вить ФМ. Напр., по­ка­за­тель пре­лом­ле­ния квар­ца уве­ли­чи­ва­ет­ся с рос­том ин­тен­сив­но­сти све­та, что при­во­дит к не­ли­ней­но­му на­бе­гу фа­зы вол­ны – фа­зо­вой са­мо­мо­ду­ля­ции и са­мо­фо­ку­си­ров­ке све­та. При ос­ве­ще­нии квар­ца све­то­вым пуч­ком с га­ус­со­вым рас­пре­де­ле­ни­ем ин­тен­сив­но­сти и пло­ским фа­зо­вым фрон­том (рис.) по­ка­за­тель пре­лом­ле­ния мак­си­маль­но уве­ли­чи­ва­ет­ся в цен­тре пуч­ка (где мак­си­маль­на ин­тен­сив­ность све­та). В ре­зуль­та­те центр. часть пуч­ка бу­дет за­паз­ды­вать по от­но­ше­нию к пе­ри­фе­рии, т. е. фронт вол­ны при­об­ре­тёт кри­виз­ну, как по­сле фо­ку­си­рую­щей лин­зы. Про­дол­жая фо­ку­си­ро­вать­ся, из­лу­че­ние «схло­пы­ва­ет­ся» в не­боль­шой об­лас­ти про­стран­ст­ва, по­сле че­го ста­но­вит­ся рас­хо­дя­щим­ся. В дос­та­точ­но про­тя­жён­ной сре­де эта рас­хо­ди­мость по­сте­пен­но умень­ша­ет­ся, за счёт са­мо­фо­ку­си­ров­ки пу­чок сно­ва ста­но­вит­ся схо­дя­щим­ся, и про­цесс по­вто­ря­ет­ся.

Др. си­туа­ция су­ще­ст­ву­ет в во­ло­кон­ных све­то­во­дах и мик­ро­струк­ту­ри­ро­ван­ных све­то­во­дах, в ко­то­рых фор­ми­ру­ет­ся ус­той­чи­вое по­пе­реч­ное рас­пре­де­ле­ние ин­тен­сив­но­сти из­лу­че­ния (мо­ды). В та­ких сре­дах при дос­та­точ­но боль­ших дли­нах рас­про­стра­не­ния сверх­ко­рот­ких ла­зер­ных им­пуль­сов мож­но ге­не­ри­ро­вать (бла­го­да­ря эф­фек­ту фа­зо­вой са­мо­мо­ду­ля­ции) чрез­вы­чай­но ши­ро­ко­по­лос­ный час­тот­ный спектр (су­пер­кон­ти­ну­ум) и мо­жет иметь ме­сто сжа­тие им­пуль­са.

При М. с. час­то важ­на фор­ма оп­тич. сиг­на­лов, ко­то­рую вы­би­ра­ют наи­бо­лее удоб­ной для вы­пол­не­ния кон­крет­ной за­да­чи. Это мо­гут быть га­ус­со­вы им­пуль­сы, сиг­на­лы, близ­кие к пря­мо­уголь­ным, гар­мо­ни­че­ским и т. д. При этом мож­но ге­не­ри­ро­вать не толь­ко клас­си­че­ские, но и кван­то­вые со­стоя­ния све­та (см. Кван­то­вая оп­ти­ка).

М. с. с ис­поль­зо­ва­ни­ем ла­зе­ров по­зво­ля­ет ре­шать за­да­чи, не­дос­туп­ные с др. ис­точ­ни­ка­ми све­та, та­кие как внут­ри­ре­зо­на­тор­ная плав­ная пе­ре­строй­ка час­то­ты мо­но­хро­ма­тич. из­лу­че­ния, ши­ро­ко­по­лос­ная син­хро­ни­за­ция мод, в ре­зуль­та­те ко­то­рой воз­мож­на ге­не­ра­ция сверх­ко­рот­ких им­пуль­сов с ши­ро­ким спек­тром, фор­ми­ро­ва­ние ди­на­мич. про­стран­ст­вен­ных струк­тур в коль­це­вом ре­зо­на­то­ре, од­но из зер­кал ко­то­ро­го осу­ще­ст­в­ля­ет пре­об­ра­зо­ва­ние изо­бра­же­ния, напр. по­во­рот во­круг оп­тич. оси. При этом воз­мож­на ана­ло­го­вая па­рал­лель­ная об­ра­бот­ка про­стран­ст­вен­но за­ко­ди­ро­ван­ной ин­фор­ма­ции, а так­же фор­ми­ро­ва­ние изо­бра­же­ний весь­ма эк­зо­тич. струк­тур, напр. вра­щаю­щей­ся спи­раль­ной га­лак­ти­ки.

Наи­бо­лее ши­ро­ко М. с. при­ме­ня­ет­ся в оп­тич. ли­ни­ях свя­зи. Она по­зво­ля­ет «на­гру­жать» све­то­вой по­ток ин­фор­ма­ци­ей, ко­то­рая пе­ре­но­сит­ся све­том, а за­тем мо­жет быть из­вле­че­на и ис­поль­зо­ва­на. Ко­ли­че­ст­во ин­фор­ма­ции, ко­то­рое мож­но пе­ре­дать, мо­ду­ли­руя ко­ле­ба­ния к.-л. ви­да, тем боль­ше, чем вы­ше час­то­та этих ко­ле­ба­ний (не­су­щая час­то­та). Это объ­яс­ня­ет­ся тем, что с воз­рас­та­ни­ем не­су­щей час­то­ты мож­но уве­ли­чить ши­ри­ну по­ло­сы час­тот мо­ду­ли­рую­щих сиг­на­лов, час­то­ты ко­то­рых мень­ше не­су­щей. Час­то­ты ви­ди­мо­го све­та – 10¹⁵–10¹⁶ Гц, а все­го диа­па­зо­на оп­тич. из­лу­че­ния – от 10¹² до 10²⁰ Гц, т. е. зна­чи­тель­но вы­ше, чем у др. ко­ле­ба­ний, мо­ду­ли­руе­мых с це­лью пе­ре­да­чи ин­фор­ма­ции, напр. в ра­дио­диа­па­зо­не. Это (а так­же не­ред­ко не­воз­мож­ность ре­шить тех­нич. или на­уч. за­да­чу, не ис­поль­зуя оп­тич. из­лу­че­ние) обу­слов­ли­ва­ет важ­ность и пер­спек­тив­ность модуляции света.

М. с. при­ме­ня­ет­ся так­же при изу­че­нии про­цес­сов, воз­ни­каю­щих в ве­ще­ст­ве под дей­ст­ви­ем све­та, та­ких как лю­ми­нес­цен­ция, фо­то­про­во­ди­мость, фо­то­хи­мич. ре­ак­ции и др.; в оп­ти­че­ской ло­ка­ции для из­ме­ре­ния рас­стоя­ний и ско­ро­стей дви­жу­щих­ся объ­ек­тов; в сис­те­мах оп­тич. зву­ко­за­пи­си, в оп­то­элек­тро­ни­ке и те­ле­ви­де­нии; при из­ме­ре­нии све­то­вых по­то­ков (см. Фо­то­мет­рия).