3.3-声光调制PPT优秀课件
8/8/2021 共 29页 1 复习相关知识 声波在介质中传播时，使介质产生弹性形变，引起介质的密度呈疏密相间的交替分布，因此，介质的折射率也随着发生相应的周期性变化这如同一个光学“相位光栅”，光栅常数等于声波长s当光波通过此介质时，会产生光的衍射衍射光的强度、频率、方向等都随着超声场的变化而变化声光晶体等价于一个相位光栅 8/8/2021 共 29页 2 拉曼-纳斯衍射产生拉曼-纳斯衍射的条件：当超声波频率较低，光波平行于声波面入射，声光互作用长度L较短时，在光波通过介质的时间内，折射率的变化可以忽略不计，则声光介质可近似看作为相对静止的“平面相位栅”拉曼-纳斯衍射的特点 ：由出射波阵面上各子波源发出的次波将发生相干作用，形成与入射方向对称分布的多级衍射光 8/8/2021 共 29页 3 各级衍射的方位角为（最大值的位置） ：),2,1,0(sin mmkkm sism 各级衍射光的强度为： nLLknvvJI imm 2)(),(2 8/8/2021 共 29页 4 衍射效率为： )2(21sin 21 nLIIis PSnn 321可以实现对光强的调制改变，一级衍射光的强度将有关。
改变值，与超声驱动功率场作用下的弹性应变幅为声光晶体在声，是声光晶体的弹光系数 ss PP SP isII 1 8/8/2021 共 29页 5 布喇格衍射产生布喇格衍射条件：声波频率较高，声光作用长度L较大，光束与声波波面间以一定的角度斜入射，介质具有“体光栅”的性质 布喇格衍射的特点：衍射光各高级次衍射光将互相抵消，只出现0级和+1级（或1级）衍射光 8/8/2021 共 29页 6 衍射效率为： sis PMHLLII 221 2sin M2为声光材料的品质因数，Ps超声功率；H为换能器的宽度，L为换能器的长度同样的改变超声功率，也可以达到改变一级衍射光的强度 isII 1 8/8/2021 共 29页 7 一. 声光调制器的工作原理 声光调制是利用声光效应将信息加载于光频载波上的一种物理过程 调制信号是以电信号(调辐)形式作用于电-声换能器上，电-声换能器将相应的电信号转化为变化的超声场，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 3.3 声光调制(Acousto-optical Modulate) 8/8/2021 共 29页 8 声光体调制器是由声光介质、电声换能器、吸声(或反射)装置及驱动电源等所组成。
(1)声光介质，声光介质是声光互作用的场所当一束光通过变化的超声场时，由于光和超声场的互作用，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声波强度的变化而变化的性质，就可以制成光强度调制器声光调制器结构吸声装置Laser in Laser out声光体调制器的组成(2)电声换能器(又称超声发生器)(3)吸声(或反射)装置(放置在超声源的对面)4)驱动电源 它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 8/8/2021 共 29页 9 声光调制是利用声光效应将信息加载于光频载波上的一种物理过程调制信号是以电信号(调辐)形式作用于电声换能器上而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 由前面分析可知，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2nL有关，而其中声致折射率差n正比于弹性应变幅值S，而S声功率Ps，故当声波场受到信号的调制使声波振幅随之变化，则衍射光强也将随之做相应的变化 8/8/2021 共 29页 10 (1)、拉曼-纳斯型声光调制器 调制器的工作原理如图1(a) 所示，工作声源频率低于10MHz。
只限于低频工作，带宽较小 入射光 衍射光 调制信号图1 拉曼-纳斯型声光调制器 8/8/2021 共 29页 11 对于拉曼纳斯型衍射，工作声频率低于10MHz，图(a)示出了这种调制器的工作原理，其各级衍射光强比例于 若取某一级衍射光作为输出，可利用光栏将其他级的衍射光遮挡，则从光栏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，根据前面判据式)(2 nJ所确定的相互作用长度L小；当工作频率较高时，最大允许长度太小，要求的声功率很高，因此拉曼纳斯型声光调制器只限于低频工作，只具有有限的带宽 8/8/2021 共 29页 12衍射光调制信号入射光图2 声光调制器布喇格型 (2)、布喇格型声光调制器 布喇格型声光调制器工作原理如图2所示 8/8/2021 共 29页 13布拉格声光调制特性曲线与电光强度调制相似由图可以看出：衍射效率与超声功率Ps只是非线性调制曲线形式，为了使调制不发生畸变，则需加超声偏置（类似于电光调制中的偏压V /4 =V/2 ），使其工作在线性较好的区域 tPsId(fm)f m(Is)0 PS1/2声光调制特性曲线 8/8/2021 共 29页 14 对于布拉格型衍射，其衍射效率由前面的式给出。
布拉格型声光调制器工作原理如(b)所示在声功率Ps (或声强Is )较小的情况下，衍射效率s 随声强度Is单调地增加(呈线性关系)； 式中的cosB因子是考虑了布拉格角对声光作用的影响由式可见，若对声强加以调制，衍射光强也就受到调制了布拉格衍射必须使入射光束以布拉格角 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，且调制带宽较宽，故多被采用 8/8/2021 共 29页 15 二. 调制带宽 调制带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，它受布喇格带宽的限制 对于给定入射角和波长的光波，只有一个确定的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 8/8/2021 共 29页 16 允许的声频带宽与布喇格角的可能变化量之间的关系为 ：BBss nvf cos2 Dnw si ,2 0 设入射光束的发散角为i，声波束的发散角为，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 w0：入射光束束腰半径；n：为介质的折射率；D：声束宽度。
)16388( 页图参见教材 iB 8/8/2021 共 29页 17 00 ,2 nwnw Bi 调制带宽 Bssm wvff cos221)( 0 由上述可知：声光调制器的带宽与声波穿国光束的度越时间（w0/v0）成反比，即与光束的直径成反比用宽度小的光束可以得到较大的带宽但光束发散角不能太大，否则，0级和1级衍射会有部分重叠，降低调制的效果21)( ss m ffffmf )(即最大的调制带宽 近似等于声频率fs的一半因此，大的调制带宽要采用高频布喇格衍射才能得到 8/8/2021 共 29页 18 三. 声光调制器的衍射效率声光调制器的另一重要参量是衍射效率要得到100的调制所需要的声强度为 2 2222cosLMI Bs 所需的声功率 LHMHLIP Bss 222 2cos 8/8/2021 共 29页 19 可见，声光材料的品质因数M2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） HPMff sBs cos22 3 210 22271 )( MnvvPnM ss f0：声中心频率， 为表征声光材料的调制带宽特性的品质因数。
M1值越大，声光材料制成的调制器所允许的调制带宽越大 8/8/2021 共 29页 20 四. 声束和光束的匹配 为了充分利用声能和光能，认为声光调制器比较合理的情况是工作于声束和光束的发散角比， )( )(声束发散角光束发散角 i1 ss vf /对于声光调制器，为了提高衍射光的消光比，希望衍射光尽量与0级光分开，要求衍射光中心和0级光中心之间的夹角大于 ，即大于 由于衍射光和0级光之间的夹角（即偏转角）等于 2 0/8 d时性能最好5.1 8/8/2021 共 29页 21 可分离条件为 : 55.288 0 dvf ssd 0：为高斯光束腰部直径，为声束穿越光束的度越时间s ss f vvd 55.20 8/8/2021 共 29页 22 五. 声束和光束的匹配 声光布喇格衍射型波导调制器结构示意图如图4所示相对于声波波前以B 入射的波导光波穿过输出棱镜时，得到与入射光束成2B 角的1级衍射光其光强为BVIII ii sin2sin 21 ：在电场作用下导波光通过长度为L距离的相位延迟；B是一比例系数，它取决于波导的有效折射率neff等因素 上式表明，衍射光强I1随电压V的变化而变化，从而可实现对波导光的调制。
8/8/2021 共 29页 23 i dks入射光衍射光L声表面波电声换能器波导层y切割LiNbO3衬底图4 声光波喇格波导调制器 个人观点供参考，欢迎讨论 。
