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1、声声 光光 调调 制制-激光技术激光技术专业：专业：班级：班级：姓名：姓名：学号：学号：声波是一种纵向机械应力波声波是一种纵向机械应力波( (弹性波弹性波) )。若把这种应力波作用到声光介质中时。若把这种应力波作用到声光介质中时 会引起介质密度呈疏密周期性变化，使介质的折射率也发生相应的周期性变化，会引起介质密度呈疏密周期性变化，使介质的折射率也发生相应的周期性变化， 这样声光介质在超声场的作用下，就变成了一个等效的相位光栅，如果激光作这样声光介质在超声场的作用下，就变成了一个等效的相位光栅，如果激光作 用在该光栅上，就会产生衍射。衍射光的强度，频率和方向将随超声场而变化。用在该光栅上，就会产
2、生衍射。衍射光的强度，频率和方向将随超声场而变化。激光具有极好的时间相干性和空间相干性，它与无线电波相似，易于调制，且激光具有极好的时间相干性和空间相干性，它与无线电波相似，易于调制，且 光波的频率极高，能传递信息的容量很大。加之激光束发散角小，光能高度集光波的频率极高，能传递信息的容量很大。加之激光束发散角小，光能高度集 中，既能传输较远距离，又易于保密。因而为光信息传递提供了一种理想的光中，既能传输较远距离，又易于保密。因而为光信息传递提供了一种理想的光 源。源。 我们把欲传输的信息加载于激光副射的过程称为激光调制。激光调制分为我们把欲传输的信息加载于激光副射的过程称为激光调制。激光调制分
3、为 内调制和外调制两类，外调制是指加载调制信号在激光形成以后进行的，即调内调制和外调制两类，外调制是指加载调制信号在激光形成以后进行的，即调 制器置于激光谐振腔外，在调制器上加调制信号电压，使调制器的某些物理特制器置于激光谐振腔外，在调制器上加调制信号电压，使调制器的某些物理特 性发生相的变化，当激光通过它时即得到调制。所以外调制不是改变激光器参性发生相的变化，当激光通过它时即得到调制。所以外调制不是改变激光器参 数，而是改变已经输出的激光的参数数，而是改变已经输出的激光的参数( (强度，频率等强度，频率等) )。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声波在介质中
4、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 “相位光栅相位光栅” ，光栅常数等于声波长，光栅常数等于声波长ss。当光波通过此介质时，会产生光的衍。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。射。衍射光的强度、频率、方向等都随着超声场的变化而变化。拉曼拉曼- -纳斯衍射：纳斯衍射：产生拉曼产生拉曼- -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，声光纳斯衍射的条件：当超声波频率较低，光波平
5、行于声波面入射，声光互作用长度互作用长度 L 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，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则声光介质可近似看作为相对静止的“平面相位栅平面相位栅” 。拉曼拉曼- -纳斯衍射的特点纳斯衍射的特点 ：由出射波阵面上各子波源发出的次波将发生相干作用，：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。形成与入射方向对称分布的多级衍射光。各级衍射的方位角为（最大值的位置）各级衍射的方位角为（最大值的位置） ：各级衍射光的强度为：各级衍射光的强度为：), 2, 1
6、, 0(sinmmkkmsis mnLLknvvJIimm2)(),(2衍射效率为：衍射效率为：布喇格衍射：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，光束与声波波面较大，光束与声波波面间以一定的角度斜入射，介质具有间以一定的角度斜入射，介质具有“体光栅体光栅”的性质。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 级和级和+1 级级（或（或1 级）衍射光级）衍射光 。 衍射效率为：衍射效率为：M2 为声光材料的品质因数，为声光材料的品质因数，
7、Ps 超声功率；超声功率；H 为换能器的宽度，为换能器的宽度，L 为换能器的为换能器的长度。同样的改变超声功率，也可以达到改变一级衍射光的强度。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。 )2(21sin21nLIIisPSnn321isII1 s isPMHLL II 221 2sinisII1入射光电声换能器驱动电源声光介质吸声器（或反射器）原理结构原理结构拉曼拉曼-纳斯型声光调制器：纳斯型声光调制器：调制器的工作原理如图调制器的工作原理如图 1 所示，工作声源频率低于所示，工作声源频率低于 10MHz。只限于低频工作，。只限于低频工作，带宽较小。带宽较小。图图 1 拉曼拉
8、曼-纳斯型声光调制器纳斯型声光调制器入射光电声换能器驱动电源声光介质吸声器（或反射器）入射光 衍射光调制信号布喇格型声光调制器：布喇格型声光调制器：布喇格型声光调制器工作原理如图布喇格型声光调制器工作原理如图 2 所示。所示。图图 2 声光调制器布喇格型声光调制器布喇格型布喇格声光调制特性曲线与电光强度调制相似，如图布喇格声光调制特性曲线与电光强度调制相似，如图 3 所示。由图可以看出：所示。由图可以看出：衍射效率衍射效率s 与超声功率与超声功率 Ps 是非线性调制曲线形式，为了使调制波不发生畸变，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，使其工作在线性较好的区域。则需要
9、加超声偏置，使其工作在线性较好的区域。 图图 3 声光调制特性曲线声光调制特性曲线衍射光调制信号入射光tPsId(fm)fm(Is)0在声功率在声功率 Ps(或声强或声强 Is)较小的情况下，衍射效率较小的情况下，衍射效率s 随声强度随声强度 Is 单调地增加单调地增加(近近似呈线性关系似呈线性关系)：式中的式中的 是考虑了布喇格角对声光作用的影响。由此可见，若对声是考虑了布喇格角对声光作用的影响。由此可见，若对声强加以调制，衍射光强也就受到了调制。布喇格衍射由于效率高，且调制带宽强加以调制，衍射光强也就受到了调制。布喇格衍射由于效率高，且调制带宽较宽，故多被采用。较宽，故多被采用。2. 调制
10、带宽调制带宽：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。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，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。在一个有限的声频范围内才能产生布拉格衍射。允许的声频带宽与布喇格
11、角的可能变化量之间的关系为允许的声频带宽与布喇格角的可能变化量之间的关系为 ：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 s BsIML 22222cos2BcosBBs snvfcos2Dnwsi,20w0：入射光束束腰半径；：入射光束束腰半径；n：为介质的折射率；：为介质的折射率；D：声束宽度。：声束宽度。调制带宽调制带宽 由上述可知：声光调制器的带宽与声波穿过光束的渡越时间（由上述可知：声光调制器的带宽与声波穿过光束的渡越时间（w0/v0）成反）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
12、带宽。但光束发比，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，散角不能太大，否则，0 级和级和 1 级衍射会有部分重叠，降低调制的效果。级衍射会有部分重叠，降低调制的效果。即最大的调制带宽（即最大的调制带宽（f）m 近似等于声频率近似等于声频率 fs 的一半。因此，大的调制带宽的一半。因此，大的调制带宽要采用高频布喇格衍射才能得到。要采用高频布喇格衍射才能得到。 3. 声光调制器的衍射效率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。声光调制器的另一重要参量是衍射效率。要得到要得到 100的调制所需要的声强度为的调制所需要的声强度为 002,i
13、BnwnwBssmwvffcos2 21)( 021)(ssm ff ff2222 2cos LMIBs所需的声功率所需的声功率可见，声光材料的品质因数可见，声光材料的品质因数 M2 越大，欲获得越大，欲获得 100%的衍射效率所需要的声功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（率越小。而且电声换能器的截面应做得长（L 大）而窄（大）而窄（H 小）小） 。 f0：声中心频率，：声中心频率， 为表征声光材料的调制带宽特性的品质为表征声光材料的调制带宽特性的品质因数。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。值越大，声光材料制成的调制器所允许的调制带宽越大。
14、4. 声束和光束的匹配声束和光束的匹配 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束的发散角比对于声光调制器，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，级光分开，要求衍射光中心和要求衍射光中心和 0 级光中心之间的夹角大于级光中心之间的夹角大于 ，即大，即大LH MHLIPB ss 2222cosHPMffsBscos22321022271)(MnvvPnMs s1 )()( 声束发散角光束发散角 i时性能最好。5 .
15、12i于于 。 由于衍射光和由于衍射光和 0 级光之间的夹角（即偏转角）等于级光之间的夹角（即偏转角）等于可分离条件为可分离条件为 :d0：为高斯光束腰部直径，：为高斯光束腰部直径， 为声束穿越光束的度越时间。为声束穿越光束的度越时间。5. 声光波导调制器声光波导调制器 声光布喇格衍射型波导调制器结构示意图如图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 角的角的 1 级衍射级衍射光。其光强为光。其光强为B 是一比例系数，它取决于波导的有效折射率是一比例系数，它取决于波导的有效折射率 neff 等因素。等因素。 上式表明，衍射光强上式表明，衍射光强 I1 随电压随电压 V 的变化而变化，从而可实现对波导光的调制。的变化而变化，从而可实现对波导光的调制。0/8d。ssvf /55.2880dvfsssssfvvd55.2 0BVIIIiisin2sin2 1图图 4 声光波喇格波导调制器声光波喇格波导调制器参考文献：参考文献：激光技术激光技术 （第二版）蓝信钜（第二版）蓝信钜 科学出版社科学出版社声
