声光调制器详细资料大全

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声光调制是一种外调制技术，通常把控制雷射束强度变化的声光器件称作声光调制器。调制信号是以电信号（调幅）形式作用于电声换能器上，再转化为以电信号形式变化的超声场，当光波通过声光介质时，由于声光作用，使光载波受到调制而成为“携带”信息的强度调制波。

基本介绍

• 中文名：声光调制器
• 外文名：acousto-optic modulator
• 定义：控制雷射束强度变化的声光器件
• 结构：声光介质、电-声换能器等
• 基本原理：用声光效应将信息载入于光频载波
• 所属学科：光学

结构,工作原理,调制频宽,衍射效率,

结构

声光调制是基于声光效应而实现的。声光调制器由声光介质、电-声换能器、吸声（或反射）装置及驱动电源等组成，其结构如右图所示。 声光介质是指声光相互作用的区域。当一束光通过变化的声场时，由于光和超声场的相互作用，其出射光就具有随时间而变化的各级衍射光，利用衍射光的强度随超音波强度的变化而变化的性质，就可以制成光强度调制器。 电-声换能器（又称超声发生器）可以利用某些压电晶体（如石英、LiNbO3等）或压电半导体（如CdS、ZnO等）的反压电效应，在外加电场作用下产生机械振动而形成超音波，因此它起著将调制的电功率转换成声功率的作用。 吸声（或反射）装置放置在超声源的对面，用以吸收已通过介质的声波（工作于行波状态），以免返回介质产生干扰，但要使超声场为驻波状态，则需要将吸声装置换成声反射装置。 驱动电源用以产生调制电信号施加于电声换能器的两端电极上，驱动声光调制器（换能器）工作。

工作原理

声光调制是利用声光效应将信息载入于光频载波上的一种物理过程。调制信号是以电信号（调幅）形式作用于电声换能器上，再转化为以电信号形式变化的超声场，当光波通过声光介质时，由于声光作用，使光载波受到调制而成为“携带”信息的强度调制波。 无论是拉曼-纳斯衍射，还是布拉格衍射，其衍射效率均与附加相位延迟因子 有关，而其中声致折射率差Δn正比于弹性应变S幅值，而S正比于声功率P _s，故当声波场受到信号的调制使声波振幅随之变化时，衍射光强也将随之做相应的变化。布拉格声光调制特性曲线与电光强度调制相似，如右图所示。可以看出：衍射效率η _s与超声功率P _s是非线性调制曲线形式，为了使调制波不发生畸变，则需要加超声偏置，使其工作线上性较好的区域。 对于拉曼-纳斯型衍射，工作声源率低于10MHz，右图（a）出了这种调制器的工作原理，其各级衍射光强为 的倍数。若取某一级衍射光作为输出，可利用光阑将其他各级的衍射光遮挡，则从光阑孔出射的光束就是一个随 变化的调制光。由于拉曼-纳斯型衍射效率低，光能利用率也低，当工作频率较高时，乘余的作用区长度L太小，要求的声功率很高，因此拉曼-纳斯型声光调制器只限于在低频工作，只具有有限的频宽。 对于布拉格型衍射，其衍射效率给出。布拉格型声光调制器工作原理如右图（b）所示。在声功率P _s（或声强I _s）较小的情况下，衍射效率η _s随声强度I _s单调地增加（呈线性关系），则 式中，cosθ _b因子是考虑了布拉格角对声光作用的影响。因此，若对声强加以调制，衍射光强也就受到了调制。布拉格衍射必须使光束以布拉格角θ _b入射，同时在相对于声波阵面对称方向接收衍射光束时，才能得到满意的结果。布拉格衍射由于效率高，且调制频宽较宽，故多被采用。

调制频宽

调制频宽是声光调制器的一个重要参量，它是衡量能否无畸变地传输信息的一个重要指标，它受到布拉格频宽的限制。对于布拉格型声光调制器而言，在理想的平面光波和声波情况下，波矢量是确定的，因此对给定入射角和波长的光波，只能有一个确定频率和波矢的声波才能满足布拉格条件。当采用有限的发散光束和声波场时，波束的有限角将会扩展，因此，在一个有限的声频范围内才能产生布拉格衍射。根据布拉格衍射方程，得到允许的声频频宽Δf _s与布拉格角的可能变化量Δθ _b之间的关系为 式中，Δθ _b是由于光束和声束的发散所引起的入射角和衍射角的变化量，也就是布拉格角允许的变化量。设入射光束的发散角为δθ ₁，声波束的发散角为δφ，对于衍射受限制的波束，这些波束发散角与波长和束宽的关系分别近似为 式中，ω ₀为入射光束束腰半径；n为介质的折射率；D为声束宽度。显然入射角（光波矢k _i与声波矢k _s之间的夹角）覆蓋范围应为：Δθ=δθ _i+δφ 若将角内传播的入射（发散）光束分解为若干不同方向的平面波（即不同的波矢k _i），对于光束的每个特定方向的分量在δφ范围内就有一个适当频率和波矢的声波可以满足布拉格条件。而声波束因受信号的调制同时包含许多中心频率的声载波的傅立叶频谱分量。因此，对每个声频率，具有许多波矢方向不同的声波分量都能引起光波的衍射。于是，相应于每一确定角度的入射光，就有一束发散角为2δφ的衍射光，如右图所示。 而每一衍射方向对应不同的频移，故为了恢复衍射光束的强度调制，必须使不同频移的衍射光分量在平方律探测器中混频。因此，要求两束最边界的衍射光（如图中的OA′和OB′）有一定的重叠，这就要求δφ≈δθ _i，若取δφ≈δθ _i=λ/πnω ₀，则调制频宽为 上式表明，声光调制器的频宽与声波穿过光束的渡越时间（ ）成反比，即与光束直径成反比，用宽度小的光束可得到大的调制频宽。但是光束发散角不能太大，否则，0级和1级衍射光束将有部分重叠，会降低调制器的效果。因此，一般要求δθ _i<δφ，于是可得 即最大的调制频宽(Δf) _m近似等于声频率f _s的一半。因此，大的调制频宽要采用高频布拉格衍射才能得到。

衍射效率

声光调制器的另一重要参量是衍射效率。根据声光晶体的相关知识，要得到100%的调制所需要的声强度为 若要表示所需的声功率，则为 可见，声光材料的品质因数M ₂越大，欲获得100%的衍射效率所需要的声功率越小。而且电 声换能器的截面应做得长（L大）而窄（H小）。然而，长度L的增大虽然对提高衍射效率有利，但会导致调制频宽的减小（因为声束发散角δφ与L成反比，δφ值小意味着小的调制频宽）。令 ，频宽可写成 由此解出L，并套用声光晶体的相关知识可得 式中，f ₀为声中心频率( )。引入因子 ，M ₁为表征声光材料的调制频宽特性的品质因数。M ₁值越大，声光材料制成的调制器所允许的调制频宽越大。