聲光偏轉(zhuǎn)器物理原理

1、聲光偏轉(zhuǎn)器物理原理主要方程式將具有一個(gè)射頻信號的壓電傳感器粘固在合適的晶體上，那么就會產(chǎn)生一個(gè)聲波。類似“相位光柵”，聲波以介質(zhì)中的聲速穿過晶體，聲波波長取決于射頻信號頻率。任意入射光束通過該光柵時(shí)都會發(fā)生衍射，通常都會產(chǎn)生很多條衍射光束。相互作用條件參數(shù)品質(zhì)因數(shù)Q,決定相互作用機(jī)制。Q如下式給出:式中，幾為激光束的波長，n是晶體的折射率，L是光束穿過聲波的距離，飛是聲波波長Qvvl:Raman-Nath衍射機(jī)制。光束大致垂直入射聲波束，會出現(xiàn)一些衍射條紋，其強(qiáng)度可由Bessel函數(shù)得出。Q1:Bragg衍射機(jī)制。以特定角入射，只有一條衍射條紋一其他條紋通過干涉相互抵消在中間情況下，單獨(dú)的分析

2、處理是不可能的，要通過電腦完成一系列分析。(Intheintermediatesituation,ananalyticaltreatmentisntpossibleandanumericalanalysiswouldneedtobeperformedbycomputer).大多數(shù)聲光設(shè)備運(yùn)行在Bragg機(jī)制下，常見的例外就是聲光模式的鎖模和Q-開關(guān)(Mostacousto-opticdevicesoperateintheBraggregime,thecommonexceptionbeingacousto-opticmodelockersandQ-switches.)波矢解釋聲光效應(yīng)可以用波矢來

3、描述。由動量守恒可得-入射光波矢k:-衍射光波矢.Ky-聲波波矢這里F是聲波的頻率，聲速為v，ni和nd是入射光和衍射光下的折射率（它們并不是一定相同的）能量守恒推得：Fd=Fj+/-F所以衍射光的光頻率近似等于聲波的頻率。當(dāng)FvvFdorFj多普勒頻移幾乎可以忽略，但是在差拍變頻中，卻得到很好應(yīng)用。聲光元件在不同的配置中使用不同的材料。其描述條目如橫?？v模、各向同性、各向異性。盡管它們都是以動量和能量守恒為基本原理，但是不同的運(yùn)轉(zhuǎn)模式具有不同的表現(xiàn)形式-如下將要展示的。衍射光特性各向同性相互作用各向同性相互作用也稱縱模相互作用。這種情況下，聲波縱向穿過晶體，入射光束與衍射光束折射率相同。這時(shí)

4、會有很好的對稱性，入射角與衍射角對稱。作用過程中偏振性沒有變化。該效應(yīng)通常發(fā)生在同質(zhì)晶體或者適當(dāng)切割的雙折射晶體中。在各向同性情況下，入射光的入射角一定等于Bragg角:這里八八I】，是晶體中的波長，v是聲速，F(xiàn)是射頻頻率。一階光束與零級光束之間的夾角們是入射角的兩倍，也就是Bragg角的兩倍。衍射光強(qiáng)I1直接受聲波功率P的控制這里，10是入射光光強(qiáng)，M2是晶體的聲光品質(zhì)值(acousto-opticfigureofmeritforthecrystal)，H和L是聲波束的高度和長度，八是入射光束的波長。衍射效率(相對值)是比值1丿10對于給定的情況，如果射頻頻率與Bragg準(zhǔn)則需求略有不同，就

5、會發(fā)生衍射。但是衍射效率會下降。情況如下所示，這里聲波矢K比理想“Bragg”波矢K0要長。得出一個(gè)復(fù)雜的分析結(jié)果：式中，w你丨，被稱為相位差(phaseasynchronism)在各向同性時(shí)：對于精確的Bragg頻率，呵山卜卜且效率最大；當(dāng)w增加時(shí)，衍射效率下降直至減少為零。如果在可接受衍射效率下進(jìn)行一個(gè)較低的限制，那么就給w個(gè)限制。反過來說，這也意味著1的最大值并且定義了設(shè)備的射頻帶寬。增加比值I（聲發(fā)散），就可以增加射頻帶寬。隨著射頻頻率的不同，衍射光束的方向也會變化。這就是聲光偏轉(zhuǎn)器的原理。各向異性各向異性相互作用中，從另一方面說，入射光折射率與衍射光折射率將會不同因?yàn)橄嗷プ饔弥衅裣?/p>

6、關(guān)發(fā)生了改變。如下圖所示，聲波矢量K1連接入射和衍射波的指數(shù)曲線。（k2只是簡單的代表不同射頻頻率下的類似相互作用）在二氧化碲這樣具體的例子中，聲速會急速減少，這種不對稱性不僅影響了折射率的變化也影響了聲波在橫模中的傳輸。ANISOTROPICCASEninncfPurernfe爲(wèi)百prapagaticrissds在聲波和光波帶寬各向異性相互作用通常可以增加效率。它們幾乎被普遍用于大口徑設(shè)備。二氧化碲橫模處，聲速的降低，使得該材料常被用于高分辨率偏轉(zhuǎn)器。橫模設(shè)備的帶寬增加值可以由下圖直接看出，選擇互動配置故而，聲波矢量與衍射光束指數(shù)橢圓相切。ANISOTROPICCASEnindTA-NGEN

7、TnLl|Punemcriie阻。皿和pnopsgsSiGnasb這也就意味著當(dāng)衍射光束波矢長度有一個(gè)小的變化時(shí)，聲波矢量會有非常大的不同。所以，在這種情況下，2（因此，3）對于射頻頻率改變很遲鈍橫模相互作用分析非常復(fù)雜，需要晶體切割、折射率、方向的詳細(xì)信息。然而，橫模相互作用具有很多優(yōu)勢，大多數(shù)偏轉(zhuǎn)器所有的聲光可調(diào)濾光器運(yùn)用的都是橫模相互作用。但是減慢的聲速使得該設(shè)備運(yùn)行比縱模的要慢，某些情況下這也可以看做是它的缺點(diǎn)。布拉格細(xì)胞（BRAGGCELL）的結(jié)構(gòu)盡管聲波效應(yīng)在液體中很容易觀察到，實(shí)際上射頻頻率在MHz到GHz的設(shè)備常用晶體玻璃作為相互作用介質(zhì)壓電傳感器按射頻頻率驅(qū)動時(shí)就會產(chǎn)生聲波（

8、圖6）該傳感器放在兩個(gè)電極之間。傳感器的積極限制由上面的電極決定。下面的電極與晶體連接。傳感器的厚度由產(chǎn)生的聲波頻率決定。電極H高度由應(yīng)用類型決定，并且必須超過光束直徑。選擇一個(gè)偏轉(zhuǎn)器，以使晶體內(nèi)部傳播的聲波波束平行。電極長度L由需要的帶寬和效率決定。電極的形狀因匹配阻抗或者聲波形狀的不同而不同。通過優(yōu)化電極的形狀就可以的到聲信號的空障。（apodization）用一個(gè)帶匹配阻抗的電路來連接驅(qū)動的傳感器。實(shí)際上，需要該電路來調(diào)整Bragg細(xì)胞的射頻源阻抗（總共50Ohms），避免功率返回?fù)p耗。射頻功率返回?fù)p耗（powerreturnloss）的決定參數(shù)就是模擬量輸出（AO,（ao（Analog

9、yOutput）模擬量輸出，模擬量輸出的信號是電壓（如05V、010V間的電壓）或電流（如010mA間的電流），其輸出電壓或電流的大小由控制軟件決定。）設(shè)備的電壓駐波比（VSWR）。射頻接口阻抗匹配電路晶體晶體通常會包裹一層氬（AR）以減少光學(xué)表面的反射光。另外，切割表面也可以為特定波長切割成Brewster角不同材料品種都可以使用。它們擁有各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。晶體長度:通常3to50mm傳感器厚度：通常1to100pm電極厚度：通常0.1to10pm聲光效應(yīng)對光束影響總之，Bragg相互作用在設(shè)備中常用的有四個(gè)特性。一些特性是所有設(shè)備所共有的：例如，一個(gè)調(diào)制器也是一個(gè)固定的移頻器，一個(gè)偏轉(zhuǎn)器同

10、時(shí)也是一個(gè)變量器或者調(diào)制器。各個(gè)設(shè)備最大的不同取決于設(shè)計(jì)策略，一滿足不同的實(shí)際應(yīng)用需求。在這一步，組件設(shè)計(jì)師和應(yīng)用工程師的緊密合作是非常重要的。偏轉(zhuǎn)衍射光束偏轉(zhuǎn)角正比于聲波頻率。這就是偏轉(zhuǎn)器的原理。調(diào)幅（強(qiáng)度）衍射光束光強(qiáng)是聲波功率的函數(shù)。調(diào)制器（q-開關(guān)）用的就是該屬性。頻移頻移在聲波相互作用中已經(jīng)介紹（*/-等于聲波頻率）。所以任何聲光設(shè)備都可以用作固定頻或者變頻轉(zhuǎn)換器波長調(diào)諧濾波波長選擇就是指在一個(gè)大的帶寬源只有一個(gè)波長適合Bragg條件。這就是聲光可調(diào)濾波器的原理聲光詞匯Bragg細(xì)胞(Braggcell):一個(gè)主體為聲光相互作用的設(shè)備(如偏轉(zhuǎn)器，變頻器)零級條紋、一級條紋(“Zero

11、”order,”1st”order):零級條紋是指直接穿過細(xì)胞的光束。一級條紋是指聲波下光束相互作用產(chǎn)生的衍射光束。Bragg角(Braggangle)J|；):給定的衍射效率的，單衍射光束的入射光束特定角(入射光束與聲波之間的夾角)。該角取決于波長和射頻頻率。分離角(Separationangle):零級條紋和一級條紋之間的夾角。射頻帶寬(RFBandwidth)1A1:對于一個(gè)給定方向波長的光波，有一個(gè)特定的射頻頻率匹配Bragg準(zhǔn)則。然而,仍然有一定范圍的頻率可以同時(shí)滿足接近最佳位置和衍射效率。射頻帶寬是確定的，例如，偏轉(zhuǎn)器的掃描角度和AOTF的可調(diào)帶寬最大偏轉(zhuǎn)角(Maximumdefl

12、ectionangle)-Al):射頻頻率掃描過整個(gè)射頻帶寬時(shí)，一級光束的角度。上升時(shí)間(Risetime)(5):正比于聲波穿過激光束的時(shí)間，因此，光束中射頻信號變化所引起響應(yīng)的時(shí)間。通過減少光束的寬度可以減少上升時(shí)間。(Proportionaltothetimetheacousticwavetakestocrossthelaserbeamand,therefore,thetimeittakesthebeamtorespondtoachangeintheRFsignal.Therisetimecanbereducedbyreducingthebeamswidth.)調(diào)制帶寬(Modulati

13、onbandwidth)Al，m，ll):在可調(diào)幅下光束的做大頻率。與上升時(shí)間一樣，可以通過降低激光束的直徑來增加。效率(Efficiency)汕)：一級條紋和未偏轉(zhuǎn)零級條紋的比值。(Thefractionofthezeroorderbeamwhichcanbediffractedintothe“1st”orderbeam).消光比(Extinctionratio):當(dāng)聲波分別是“開”和“關(guān)”時(shí)，一級光束的最大光強(qiáng)和最小光強(qiáng)的比值。頻移(Frequencyshift)(F):衍射光束與入射光束的頻率差值。頻移等于聲波頻率，向上移或者下移依視方向而定。分辨率(Resolution)(N):解析點(diǎn)的數(shù)目，依據(jù)Rayleigh判據(jù)描述的、由偏轉(zhuǎn)器生成的、相應(yīng)的偏轉(zhuǎn)光束的分離位置的最大數(shù)目。(Thenumberofresolvablepoints,whichad