3.3 聲光調(diào)制課件

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)光學(xué)“”，光柵常數(shù)等于聲波長(zhǎng)

s。當(dāng)光波通過此介質(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。聲光晶體等價(jià)于一個(gè)相位光柵

拉曼-納斯衍射產(chǎn)生拉曼-納斯衍射的條件：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L較短時(shí)，在光波通過介質(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“平面相位柵”。拉曼-納斯衍射的特點(diǎn)：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分布的多級(jí)衍射光。各級(jí)衍射的方位角為（最大值的位置）：各級(jí)衍射光的強(qiáng)度為：衍射效率為：布喇格衍射產(chǎn)生布喇格衍射條件：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，介質(zhì)具有“體光柵”的性質(zhì)。布喇格衍射的特點(diǎn)：衍射光各高級(jí)次衍射光將互相抵消，只出現(xiàn)0級(jí)和+1級(jí)（或

1級(jí)）衍射光。衍射效率為：M2為聲光材料的品質(zhì)因數(shù)，Ps超聲功率；H為換能器的寬度，L為換能器的長(zhǎng)度。同樣的改變超聲功率，也可以達(dá)到改變一級(jí)衍射光的強(qiáng)度。一.聲光調(diào)制器的工作原理

聲光調(diào)制是利用聲光效應(yīng)將信息加載于光頻載波上的一種物理過程。調(diào)制信號(hào)是以電信號(hào)(調(diào)輻)形式作用于電-聲換能器上，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)，當(dāng)光波通過聲光介質(zhì)時(shí)，由于聲光作用，使光載波受到調(diào)制而成為“攜帶”信息的強(qiáng)度調(diào)制波。

3.3聲光調(diào)制(Acousto-opticalModulate)

聲光體調(diào)制器是由聲光介質(zhì)、電—聲換能器、吸聲(或反射)裝置及驅(qū)動(dòng)電源等所組成。(1)聲光介質(zhì)，聲光介質(zhì)是聲光互作用的場(chǎng)所。當(dāng)一束光通過變化的超聲場(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)度的變化而變化的性質(zhì)，就可以制成光強(qiáng)度調(diào)制器。聲光調(diào)制器結(jié)構(gòu)吸聲裝置LaserinLaserout聲光體調(diào)制器的組成(2)電—聲換能器(又稱超聲發(fā)生器)(3)吸聲(或反射)裝置(放置在超聲源的對(duì)面)。(4)驅(qū)動(dòng)電源它用以產(chǎn)生調(diào)制電信號(hào)施加于電—聲換能器的兩端電極上，驅(qū)動(dòng)聲光調(diào)制器(換能器)工作。

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程。調(diào)制信號(hào)是以電信號(hào)(調(diào)輻)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“攜帶”信息的強(qiáng)度調(diào)制波。

由前面分析可知，無(wú)論是拉曼—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ν＝2πΔnL／λ有關(guān)，而其中聲致折射率差Δn正比于彈性應(yīng)變幅值S，而S∝聲功率Ps，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)也將隨之做相應(yīng)的變化。(1)、拉曼-納斯型聲光調(diào)制器

調(diào)制器的工作原理如圖1(a)所示，工作聲源頻率低于10MHz。只限于低頻工作，帶寬較小。入射光

衍射光

調(diào)制信號(hào)圖1拉曼-納斯型聲光調(diào)制器

對(duì)于拉曼—納斯型衍射，工作聲頻率低于10MHz，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)比例于。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ν變化的調(diào)制光。由于拉曼—納斯型衍射效率低，光能利用率也低，根據(jù)前面判據(jù)式所確定的相互作用長(zhǎng)度L??；當(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，因此拉曼—納斯型聲光調(diào)制器只限于低頻工作，只具有有限的帶寬。衍射光調(diào)制信號(hào)入射光圖2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)制器工作原理如圖2所示。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η與超聲功率Ps只是非線性調(diào)制曲線形式，為了使調(diào)制不發(fā)生畸變，則需加超聲偏置（類似于電光調(diào)制中的偏壓Vλ/4=Vπ/2），使其工作在線性較好的區(qū)域。

tPsId(fm)fm(Is)0PS1/2聲光調(diào)制特性曲線

對(duì)于布拉格型衍射，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(b)所示。在聲功率Ps(或聲強(qiáng)Is)較小的情況下，衍射效率

s

隨聲強(qiáng)度Is單調(diào)地增加(呈線性關(guān)系)；

式中的cosθB因子是考慮了布拉格角對(duì)聲光作用的影響。由式可見，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θB入射，同時(shí)在相對(duì)于聲波陣面對(duì)稱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。二.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)有限的聲頻范圍內(nèi)才能產(chǎn)生布拉格衍射。

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：

設(shè)入射光束的發(fā)散角為

i，聲波束的發(fā)散角為

，對(duì)于衍射受限制的波束，這些波束發(fā)散角與波長(zhǎng)和束寬的關(guān)系分別近似為w0：入射光束束腰半徑；n：為介質(zhì)的折射率；D：聲束寬度。調(diào)制帶寬

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（w0/v0）成反比，即與光束的直徑成反比。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，0級(jí)和1級(jí)衍射會(huì)有部分重疊，降低調(diào)制的效果。即最大的調(diào)制帶寬近似等于聲頻率fs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。三.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100％的調(diào)制所需要的聲強(qiáng)度為所需的聲功率

可見，聲光材料的品質(zhì)因數(shù)M2越大，欲獲得100%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)（L大）而窄（H?。0：聲中心頻率，為表征聲光材料的調(diào)制帶寬特性的品質(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)制帶寬越大。四.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是工作于聲束和光束的發(fā)散角比，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0級(jí)光分開，要求衍射光中心和0級(jí)光中心之間的夾角大于，即大于。由于衍射光和0級(jí)光之間的夾角（即偏轉(zhuǎn)角）等于可分離條件為

:d0：為高斯光束腰部直徑，τ為聲束穿越光束的度越時(shí)間。五.聲束和光束的匹配

聲光布喇格衍射型波導(dǎo)調(diào)制器結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。相對(duì)于聲波波前以

B

入射的波導(dǎo)光波穿過輸出棱鏡時(shí)，得到與入射光束成2

B

角的1級(jí)衍射光。其光強(qiáng)為