3.3-聲光調(diào)制PPT優(yōu)秀課件

1、8/2/20218/2/2021 共共2929頁(yè)頁(yè) 1 1 復(fù)習(xí)相關(guān)知識(shí)復(fù)習(xí)相關(guān)知識(shí) 聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，使介質(zhì)產(chǎn)生彈性形變，引聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，使介質(zhì)產(chǎn)生彈性形變，引 起介質(zhì)的密度呈疏密相間的交替分布，因此，介質(zhì)的起介質(zhì)的密度呈疏密相間的交替分布，因此，介質(zhì)的 折射率也隨著發(fā)生相應(yīng)的周期性變化。這如同一個(gè)光折射率也隨著發(fā)生相應(yīng)的周期性變化。這如同一個(gè)光 學(xué)學(xué)“相位光柵相位光柵”，光柵常數(shù)等于聲波長(zhǎng)，光柵常數(shù)等于聲波長(zhǎng) s。當(dāng)光波通。當(dāng)光波通 過(guò)此介質(zhì)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生光的衍射。衍射光的強(qiáng)度、頻率、過(guò)此介質(zhì)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生光的衍射。衍射光的強(qiáng)度、頻率、 方向等都隨著超聲場(chǎng)的變化而變化。方向等都隨著超聲場(chǎng)的

2、變化而變化。 聲光晶體等價(jià)于一個(gè)相位光柵聲光晶體等價(jià)于一個(gè)相位光柵 8/2/20218/2/2021 共共2929頁(yè)頁(yè) 2 2 拉曼拉曼-納斯衍射納斯衍射 產(chǎn)生拉曼產(chǎn)生拉曼-納斯衍射的條件：納斯衍射的條件：當(dāng)超聲波頻率較低，光當(dāng)超聲波頻率較低，光 波平行于聲波面入射，聲光互作用長(zhǎng)度波平行于聲波面入射，聲光互作用長(zhǎng)度L較短時(shí)，在較短時(shí)，在 光波通過(guò)介質(zhì)的時(shí)間內(nèi)，折射率的變化可以忽略不光波通過(guò)介質(zhì)的時(shí)間內(nèi)，折射率的變化可以忽略不 計(jì)，則聲光介質(zhì)可近似看作為相對(duì)靜止的計(jì)，則聲光介質(zhì)可近似看作為相對(duì)靜止的“平面相平面相 位柵位柵”。 拉曼拉曼-納斯衍射的特點(diǎn)納斯衍射的特點(diǎn) ：由出射波陣面上各子波源發(fā)：

3、由出射波陣面上各子波源發(fā) 出的次波將發(fā)生相干作用，形成與入射方向?qū)ΨQ(chēng)分出的次波將發(fā)生相干作用，形成與入射方向?qū)ΨQ(chēng)分 布的布的多級(jí)衍射光多級(jí)衍射光。 8/2/20218/2/2021 共共2929頁(yè)頁(yè) 3 3 各級(jí)衍射的方位角為（最大值的位置）各級(jí)衍射的方位角為（最大值的位置） ： ), 2, 1, 0(sinmm k k m si s m 各級(jí)衍射光的強(qiáng)度為：各級(jí)衍射光的強(qiáng)度為： nLLknvvJI imm 2 )(),( 2 8/2/20218/2/2021 共共2929頁(yè)頁(yè) 4 4 衍射效率為：衍射效率為： ) 2 ( 2 1 sin 2 1 nL I I i s PSnn 3 2 1 。

4、可以實(shí)現(xiàn)對(duì)光強(qiáng)的調(diào)制 改變，一級(jí)衍射光的強(qiáng)度將有關(guān)。改變 值，與超聲驅(qū)動(dòng)功率場(chǎng)作用下的彈性應(yīng)變幅 為聲光晶體在聲，是聲光晶體的彈光系數(shù) ss PP SP is II 1 8/2/20218/2/2021 共共2929頁(yè)頁(yè) 5 5 布喇格衍射布喇格衍射 產(chǎn)生布喇格衍射條件：產(chǎn)生布喇格衍射條件：聲波頻率較高，聲光作用長(zhǎng)度聲波頻率較高，聲光作用長(zhǎng)度 L較大，光束與聲波波面間以一定的角度斜入射，介較大，光束與聲波波面間以一定的角度斜入射，介 質(zhì)具有質(zhì)具有“體光柵體光柵”的性質(zhì)。的性質(zhì)。 布喇格衍射的特點(diǎn)：布喇格衍射的特點(diǎn)：衍射光各高級(jí)次衍射光將互相抵衍射光各高級(jí)次衍射光將互相抵 消，只出現(xiàn)消，只出現(xiàn)0

5、級(jí)和級(jí)和+1級(jí)（或級(jí)（或 1級(jí)）衍射光級(jí)）衍射光 。 8/2/20218/2/2021 共共2929頁(yè)頁(yè) 6 6 衍射效率為：衍射效率為： s i s PM H LL I I 2 2 1 2 sin M2為聲光材料的品質(zhì)因數(shù)，為聲光材料的品質(zhì)因數(shù)，Ps超聲功率；超聲功率；H為換能器的寬為換能器的寬 度，度，L為換能器的長(zhǎng)度。同樣的改變超聲功率，也可以達(dá)到為換能器的長(zhǎng)度。同樣的改變超聲功率，也可以達(dá)到 改變一級(jí)衍射光的強(qiáng)度。改變一級(jí)衍射光的強(qiáng)度。 is II 1 8/2/20218/2/2021 共共2929頁(yè)頁(yè) 7 7 一一. 聲光調(diào)制器的工作原理聲光調(diào)制器的工作原理 聲光調(diào)制是利用聲光效應(yīng)將

6、信息加載于光頻載波上聲光調(diào)制是利用聲光效應(yīng)將信息加載于光頻載波上 的一種物理過(guò)程。的一種物理過(guò)程。 調(diào)制信號(hào)是以電信號(hào)調(diào)制信號(hào)是以電信號(hào)(調(diào)輻調(diào)輻)形式作用于電形式作用于電-聲換能器聲換能器 上，電上，電-聲換能器將相應(yīng)的電信號(hào)轉(zhuǎn)化為變化的超聲場(chǎng)，聲換能器將相應(yīng)的電信號(hào)轉(zhuǎn)化為變化的超聲場(chǎng)， 當(dāng)光波通過(guò)聲光介質(zhì)時(shí)，由于聲光作用，使光載波受當(dāng)光波通過(guò)聲光介質(zhì)時(shí)，由于聲光作用，使光載波受 到調(diào)制而成為到調(diào)制而成為“攜帶攜帶”信息的強(qiáng)度調(diào)制波。信息的強(qiáng)度調(diào)制波。 3.3 聲光調(diào)制聲光調(diào)制(Acousto-optical Modulate) 8/2/20218/2/2021 共共2929頁(yè)頁(yè) 8 8 聲

7、光體調(diào)制器是由聲光介質(zhì)、電聲光體調(diào)制器是由聲光介質(zhì)、電聲換能器、吸聲聲換能器、吸聲(或反射或反射) 裝置及驅(qū)動(dòng)電源等所組成。裝置及驅(qū)動(dòng)電源等所組成。 (1)聲光介質(zhì)，聲光介質(zhì)是聲光互作用的聲光介質(zhì)，聲光介質(zhì)是聲光互作用的 場(chǎng)所。當(dāng)一束光通過(guò)變化的超聲場(chǎng)時(shí)，場(chǎng)所。當(dāng)一束光通過(guò)變化的超聲場(chǎng)時(shí)， 由于光和超聲場(chǎng)的互作用，其出射光就由于光和超聲場(chǎng)的互作用，其出射光就 具有隨時(shí)間而變化的各級(jí)衍射光，利用具有隨時(shí)間而變化的各級(jí)衍射光，利用 衍射光的強(qiáng)度隨超聲波強(qiáng)度的變化而變衍射光的強(qiáng)度隨超聲波強(qiáng)度的變化而變 化的性質(zhì)，就可以制成光強(qiáng)度調(diào)制器?；男再|(zhì)，就可以制成光強(qiáng)度調(diào)制器。 聲光調(diào)制器結(jié)構(gòu)聲光調(diào)制器結(jié)構(gòu)

8、 吸聲裝置吸聲裝置 Laser in Laser out 聲光體調(diào)制器的組成聲光體調(diào)制器的組成 (2)電電聲換能器聲換能器(又稱(chēng)超聲發(fā)生器又稱(chēng)超聲發(fā)生器) (3)吸聲吸聲(或反射或反射)裝置裝置(放置在超聲源的對(duì)面放置在超聲源的對(duì)面)。 (4)驅(qū)動(dòng)電源驅(qū)動(dòng)電源 它用以產(chǎn)生調(diào)制電信號(hào)施它用以產(chǎn)生調(diào)制電信號(hào)施 加于電加于電聲換能器的兩端電極上，驅(qū)動(dòng)聲換能器的兩端電極上，驅(qū)動(dòng) 聲光調(diào)制器聲光調(diào)制器(換能器換能器)工作。工作。 8/2/20218/2/2021 共共2929頁(yè)頁(yè) 9 9 聲光調(diào)制是利用聲光效應(yīng)將信息加載于光頻載波上的一種物理聲光調(diào)制是利用聲光效應(yīng)將信息加載于光頻載波上的一種物理 過(guò)程。

9、調(diào)制信號(hào)是以電信號(hào)過(guò)程。調(diào)制信號(hào)是以電信號(hào)(調(diào)輻調(diào)輻)形式作用于電聲換能器上而轉(zhuǎn)形式作用于電聲換能器上而轉(zhuǎn) 化為以電信號(hào)形式變化的超聲場(chǎng)，當(dāng)光波通過(guò)聲光介質(zhì)時(shí)，由于化為以電信號(hào)形式變化的超聲場(chǎng)，當(dāng)光波通過(guò)聲光介質(zhì)時(shí)，由于 聲光作用，使光載波受到調(diào)制而成為聲光作用，使光載波受到調(diào)制而成為“攜帶攜帶”信息的強(qiáng)度調(diào)制波。信息的強(qiáng)度調(diào)制波。 由前面分析可知，無(wú)論是拉曼由前面分析可知，無(wú)論是拉曼納斯衍射，還是布拉格衍射，納斯衍射，還是布拉格衍射， 其衍射效率均與附加相位延遲因子其衍射效率均與附加相位延遲因子2nL有關(guān)，而其中聲有關(guān)，而其中聲 致折射率差致折射率差n正比于彈性應(yīng)變幅值正比于彈性應(yīng)變幅值S，

10、而，而S聲功率聲功率Ps，故當(dāng)聲波，故當(dāng)聲波 場(chǎng)受到信號(hào)的調(diào)制使聲波振幅隨之變化，則衍射光強(qiáng)也將隨之做場(chǎng)受到信號(hào)的調(diào)制使聲波振幅隨之變化，則衍射光強(qiáng)也將隨之做 相應(yīng)的變化。相應(yīng)的變化。 8/2/20218/2/2021 共共2929頁(yè)頁(yè) 1010 (1)、拉曼、拉曼-納斯型聲光調(diào)制器納斯型聲光調(diào)制器 調(diào)制器的工作原理如圖調(diào)制器的工作原理如圖1(a) 所示，工作聲源頻率低于所示，工作聲源頻率低于10MHz。 只限于低頻工作，帶寬較小。只限于低頻工作，帶寬較小。 入射光入射光 衍射光衍射光 調(diào)制信號(hào)調(diào)制信號(hào) 圖圖1 拉曼拉曼-納斯型聲光調(diào)制器納斯型聲光調(diào)制器 8/2/20218/2/2021 共共

11、2929頁(yè)頁(yè) 1111 對(duì)于拉曼對(duì)于拉曼納斯型衍射，工作聲頻率低于納斯型衍射，工作聲頻率低于10MHz，圖，圖(a) 示出了這種調(diào)制器的工作原理，其各級(jí)衍射光強(qiáng)比例示出了這種調(diào)制器的工作原理，其各級(jí)衍射光強(qiáng)比例 于于 。若取某一級(jí)衍射光作為輸出，可利用光欄將其他。若取某一級(jí)衍射光作為輸出，可利用光欄將其他 級(jí)的衍射光遮擋，則從光欄孔出射的光束就是一個(gè)隨級(jí)的衍射光遮擋，則從光欄孔出射的光束就是一個(gè)隨變化的變化的 調(diào)制光。由于拉曼調(diào)制光。由于拉曼納斯型衍射效率低，光能利用率也低，納斯型衍射效率低，光能利用率也低， 根據(jù)前面判據(jù)式根據(jù)前面判據(jù)式 )( 2 n J 所確定的相互作用長(zhǎng)度所確定的相互作用

12、長(zhǎng)度L?。划?dāng)工作頻率較高時(shí)，最大允許長(zhǎng)度?。划?dāng)工作頻率較高時(shí)，最大允許長(zhǎng)度 太小，要求的聲功率很高，因此太小，要求的聲功率很高，因此拉曼拉曼納斯型聲光調(diào)制器只限納斯型聲光調(diào)制器只限 于低頻工作于低頻工作，只具有有限的帶寬。，只具有有限的帶寬。 8/2/20218/2/2021 共共2929頁(yè)頁(yè) 1212 衍射光衍射光 調(diào)制信號(hào)調(diào)制信號(hào) 入射光入射光 圖圖2 聲光調(diào)制器布喇格型聲光調(diào)制器布喇格型 (2)、布喇格型聲光調(diào)制器、布喇格型聲光調(diào)制器 布喇格型聲光調(diào)制器工作原理如圖布喇格型聲光調(diào)制器工作原理如圖2所示。所示。 8/2/20218/2/2021 共共2929頁(yè)頁(yè) 1313 布拉格聲光調(diào)制特

13、性曲線與電光強(qiáng)度調(diào)制相似。由圖可以看出：布拉格聲光調(diào)制特性曲線與電光強(qiáng)度調(diào)制相似。由圖可以看出： 衍射效率衍射效率與超聲功率與超聲功率Ps只是非線性調(diào)制曲線形式，為了使調(diào)制不只是非線性調(diào)制曲線形式，為了使調(diào)制不 發(fā)生畸變，則需加超聲偏置（類(lèi)似于電光調(diào)制中的偏壓發(fā)生畸變，則需加超聲偏置（類(lèi)似于電光調(diào)制中的偏壓V /4 =V/2 ），使其工作在線性較好的區(qū)域。），使其工作在線性較好的區(qū)域。 t Ps Id(fm) fm(Is) 0 PS1/2 聲光調(diào)制特性曲線聲光調(diào)制特性曲線 8/2/20218/2/2021 共共2929頁(yè)頁(yè) 1414 對(duì)于布拉格型衍射，其衍射效率由前面的式給出。布拉格對(duì)于布拉格

14、型衍射，其衍射效率由前面的式給出。布拉格 型聲光調(diào)制器工作原理如型聲光調(diào)制器工作原理如(b)所示。在聲功率所示。在聲功率Ps (或聲強(qiáng)或聲強(qiáng)Is )較小的較小的 情況下，衍射效率情況下，衍射效率 s 隨聲強(qiáng)度隨聲強(qiáng)度Is單調(diào)地增加單調(diào)地增加(呈線性關(guān)系呈線性關(guān)系)； 式中的式中的cosB因子是考慮了布拉格角對(duì)聲光作用的影響。由式因子是考慮了布拉格角對(duì)聲光作用的影響。由式 可見(jiàn)，若對(duì)聲強(qiáng)加以調(diào)制，衍射光強(qiáng)也就受到調(diào)制了。布拉格衍可見(jiàn)，若對(duì)聲強(qiáng)加以調(diào)制，衍射光強(qiáng)也就受到調(diào)制了。布拉格衍 射必須使入射光束以布拉格角射必須使入射光束以布拉格角B入射，同時(shí)在相對(duì)于聲波陣面對(duì)入射，同時(shí)在相對(duì)于聲波陣面對(duì)

15、稱(chēng)方向接收衍射光束時(shí)，才能得到滿意的結(jié)果。布拉格衍射由于稱(chēng)方向接收衍射光束時(shí)，才能得到滿意的結(jié)果。布拉格衍射由于 效率高，且調(diào)制帶寬較寬，故多被采用。效率高，且調(diào)制帶寬較寬，故多被采用。 8/2/20218/2/2021 共共2929頁(yè)頁(yè) 1515 二二. 調(diào)制帶寬調(diào)制帶寬 調(diào)制帶寬是聲光調(diào)制器的一個(gè)重要參量，它是衡量能否無(wú)畸調(diào)制帶寬是聲光調(diào)制器的一個(gè)重要參量，它是衡量能否無(wú)畸 變地傳輸信息的一個(gè)重要指標(biāo)，它受布喇格帶寬的限制。變地傳輸信息的一個(gè)重要指標(biāo)，它受布喇格帶寬的限制。 對(duì)于給定入射角和波長(zhǎng)的光波，只有一個(gè)確定的頻率和波對(duì)于給定入射角和波長(zhǎng)的光波，只有一個(gè)確定的頻率和波 矢的聲波才能滿

16、足布拉格條件。當(dāng)采用有限的發(fā)散光束和聲波矢的聲波才能滿足布拉格條件。當(dāng)采用有限的發(fā)散光束和聲波 場(chǎng)時(shí)，波束的有限角將會(huì)擴(kuò)展，因此，在一個(gè)有限的聲頻范圍場(chǎng)時(shí)，波束的有限角將會(huì)擴(kuò)展，因此，在一個(gè)有限的聲頻范圍 內(nèi)才能產(chǎn)生布拉格衍射。內(nèi)才能產(chǎn)生布拉格衍射。 8/2/20218/2/2021 共共2929頁(yè)頁(yè) 1616 允許的聲頻帶寬與布喇格角的可能變化量之間的關(guān)系為允許的聲頻帶寬與布喇格角的可能變化量之間的關(guān)系為 ： B Bs s nv f cos2 Dnw s i , 2 0 設(shè)入射光束的發(fā)散角為設(shè)入射光束的發(fā)散角為i，聲波束的發(fā)散角為，聲波束的發(fā)散角為，對(duì)于衍，對(duì)于衍 射受限制的波束，這些波束發(fā)

17、散角與波長(zhǎng)和束寬的關(guān)系分別近射受限制的波束，這些波束發(fā)散角與波長(zhǎng)和束寬的關(guān)系分別近 似為似為 w0：入射光束束腰半徑；：入射光束束腰半徑；n：為介質(zhì)的折射率；為介質(zhì)的折射率；D：聲束寬度。：聲束寬度。 )16388(頁(yè)圖參見(jiàn)教材 iB 8/2/20218/2/2021 共共2929頁(yè)頁(yè) 1717 00 , 2 nwnw Bi 調(diào)制帶寬調(diào)制帶寬 B s sm w v ff cos 2 2 1 )( 0 由上述可知：聲光調(diào)制器的帶寬與聲波穿國(guó)光束的度越時(shí)由上述可知：聲光調(diào)制器的帶寬與聲波穿國(guó)光束的度越時(shí) 間（間（w0/v0）成反比，即與光束的直徑成反比。用寬度小的光束）成反比，即與光束的直徑成反比

18、。用寬度小的光束 可以得到較大的帶寬。但光束發(fā)散角不能太大，否則，可以得到較大的帶寬。但光束發(fā)散角不能太大，否則，0級(jí)和級(jí)和1 級(jí)衍射會(huì)有部分重疊，降低調(diào)制的效果。級(jí)衍射會(huì)有部分重疊，降低調(diào)制的效果。 2 1)( ss m f f f f m f )(即最大的調(diào)制帶寬即最大的調(diào)制帶寬 近似等于聲頻率近似等于聲頻率fs的一半。因此，大的的一半。因此，大的 調(diào)制帶寬要采用高頻布喇格衍射才能得到。調(diào)制帶寬要采用高頻布喇格衍射才能得到。 8/2/20218/2/2021 共共2929頁(yè)頁(yè) 1818 三三. 聲光調(diào)制器的衍射效率聲光調(diào)制器的衍射效率 聲光調(diào)制器的另一重要參量是衍射效率。要得到聲光調(diào)制器的

19、另一重要參量是衍射效率。要得到100的調(diào)制的調(diào)制 所需要的聲強(qiáng)度為所需要的聲強(qiáng)度為 2 2 22 2 cos LM I B s 所需的聲功率所需的聲功率 L H M HLIP B ss 2 22 2 cos 8/2/20218/2/2021 共共2929頁(yè)頁(yè) 1919 可見(jiàn)，聲光材料的品質(zhì)因數(shù)可見(jiàn)，聲光材料的品質(zhì)因數(shù)M2越大，欲獲得越大，欲獲得100%的衍射效的衍射效 率所需要的聲功率越小。而且電聲換能器的截面應(yīng)做得長(zhǎng)（率所需要的聲功率越小。而且電聲換能器的截面應(yīng)做得長(zhǎng)（L 大）而窄（大）而窄（H?。?。小）。 H P Mff s B s cos 2 2 3 2 10 2 2 27 1 )(Mn

20、v v Pn M s s f0：聲中心頻率，：聲中心頻率， 為表征聲光材料的調(diào)制帶寬特性為表征聲光材料的調(diào)制帶寬特性 的品質(zhì)因數(shù)。的品質(zhì)因數(shù)。M1值越大，聲光材料制成的調(diào)制器所允許的調(diào)值越大，聲光材料制成的調(diào)制器所允許的調(diào) 制帶寬越大。制帶寬越大。 8/2/20218/2/2021 共共2929頁(yè)頁(yè) 2020 四四. 聲束和光束的匹配聲束和光束的匹配 為了充分利用聲能和光能，認(rèn)為聲光調(diào)制器比較合理的情況為了充分利用聲能和光能，認(rèn)為聲光調(diào)制器比較合理的情況 是工作于聲束和光束的發(fā)散角比，是工作于聲束和光束的發(fā)散角比， )( )( 聲束發(fā)散角 光束發(fā)散角 i 1 ss vf / 對(duì)于聲光調(diào)制器，為了提高衍射光的消光比，希望衍射光盡對(duì)于聲光調(diào)制器，為了提高衍射光的消光比，希望衍射光盡 量與量與0級(jí)光分開(kāi)，要求衍射光中心和級(jí)光分開(kāi)，要求衍射光中心和0級(jí)光中心之間的夾角大級(jí)光中心之間的夾角大 于于 ，即大于，即大于 。 由于衍射光和由于衍射光和0級(jí)光之間的夾級(jí)光之間的夾 角（即偏轉(zhuǎn)角）等于角（即偏轉(zhuǎn)