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1、复习相关知识UPDOWNBACK7/30/20247/30/2024 共共2929页页 2 2 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：纳斯衍射的条件：当超声波频率较低，光当超声波频率较低，光波平行于声波面入射，声光互作用长度波平行于声波面入射，声光互作用长度L较短时，在较短时，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计，则声光介质可近似看作为相对静止的“平面相位平面相位栅栅”。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：由出射波阵面上各子波源发出的次波将发生相干作
2、用，形成与入射方向对称分出的次波将发生相干作用，形成与入射方向对称分布的布的多级衍射光多级衍射光。UPDOWNBACK7/30/20247/30/2024 共共2929页页 3 3UPDOWNBACK7/30/20247/30/2024 共共2929页页 4 4UPDOWNBACK7/30/20247/30/2024 共共2929页页 5 5UPDOWNBACK7/30/20247/30/2024 共共2929页页 6 6UPDOWNBACK7/30/20247/30/2024 共共2929页页 7 7UPDOWNBACK7/30/20247/30/2024 共共2929页页 8 8UPDOW
3、NBACK7/30/20247/30/2024 共共2929页页 9 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过程。调制信号是以电信号(调辐调辐)形式作用于电声换能器上而转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声光作用，使光载波受到调制而成为“携带携带”信息的强度调制波。信息的强度调制波。 由前面分析可知，无论是拉曼由前面分析可知，无论是拉曼纳斯衍射，还是布拉格衍射，纳
4、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其衍射效率均与附加相位延迟因子2nL有关，而其中声有关，而其中声致折射率差致折射率差n正比于弹性应变幅值正比于弹性应变幅值S，而，而S声功率声功率Ps，故当声波，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。相应的变化。UPDOWNBACK7/30/20247/30/2024 共共2929页页 1010(1)、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(a) 所示，工作声源频率低于所示，工作声源频率低于10MH
5、z。只限于低频工作，带宽较小。只限于低频工作，带宽较小。 入射光入射光 衍射光衍射光 调制信号调制信号图图1 拉曼拉曼-纳斯型声光调制器纳斯型声光调制器UPDOWNBACK7/30/20247/30/2024 共共2929页页 1111 对于拉曼对于拉曼纳斯型衍射，工作声频率低于纳斯型衍射，工作声频率低于10MHz，图，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。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光遮挡，则从光栏孔出射的光束就
6、是一个随变化的调制光。变化的调制光。由于拉曼由于拉曼纳斯型衍射效率低，光能利用率也低，根据前面纳斯型衍射效率低，光能利用率也低，根据前面判据式判据式所确定的相互作用长度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，因此太小，要求的声功率很高，因此拉曼拉曼纳斯型声光调制器只限纳斯型声光调制器只限于低频工作于低频工作，只具有有限的带宽。，只具有有限的带宽。UPDOWNBACK7/30/20247/30/2024 共共2929页页 1212衍射光衍射光调制信号调制信号入射光入射光图图2 声光调制器布喇格型声光调制器布喇格型(2)、布
7、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。UPDOWNBACK7/30/20247/30/2024 共共2929页页 1313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：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：衍射效率衍射效率与超声功率与超声功率Ps只是非线性调制曲线形式，为了使调制不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。），使其工作在线性较好的区域。 t
8、PsId(fm)fm(Is)0PS1/2声光调制特性曲线声光调制特性曲线UPDOWNBACK7/30/20247/30/2024 共共2929页页 1414 对于布拉格型衍射，其衍射效率由前面的式给出。布拉格型对于布拉格型衍射，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声光调制器工作原理如(b)所示。在声功率所示。在声功率Ps (或声强或声强Is )较小的情较小的情况下，衍射效率况下，衍射效率 s 随声强度随声强度Is单调地增加单调地增加(呈线性关系呈线性关系)； 式中的式中的cosB因子是考虑了布拉格角对声光作用的影响。由式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
9、加以调制，衍射光强也就受到调制了。布拉格衍可见，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。效率高，且调制带宽较宽，故多被采用。UPDOWNBACK7/30/20247/30/2024 共共2929页页 1515二二. 调制带宽调制带宽 调制带宽是声光调制器的一个重要参量，它是衡量能否无畸调制带宽是声光调制器的一个重要参量，它是衡量能
10、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。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。内才能产生布拉格衍射。UPDOWNBACK7/30/20247/30/2024 共共2929页页 1616 允许的声频带宽与布喇格角的可能变化量之间的关系
11、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 ： 设入射光束的发散角为设入射光束的发散角为i，声波束的发散角为，声波束的发散角为，对于衍，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似为 w0：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。UPDOWNBACK7/30/20247/30/2024 共共2929页页 1717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国光束的度越时由上述可知：声光调制器的带宽与声波穿国光束的度越时间（间（w0/v0）成反
12、比，即与光束的直径成反比。用宽度小的光束）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，可以得到较大的带宽。但光束发散角不能太大，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 近似等于声频率近似等于声频率fs的一半。因此，大的的一半。因此，大的调制带宽要采用高频布喇格衍射才能得到。调制带宽要采用高频布喇格衍射才能得到。 UPDOWNBACK7/30/20247/30/2024 共共2929页页 1818三三. 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
13、量是衍射效率。要得到声光调制器的另一重要参量是衍射效率。要得到100的调制的调制所需要的声强度为所需要的声强度为 所需的声功率所需的声功率 UPDOWNBACK7/30/20247/30/2024 共共2929页页 1919 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（大）而窄（H小）。小）。 f0：声声中中心心频频率率， 为为表表征征声声光光材材料料的的调调制制带带宽宽特特性性的的品品质质因因数数。M1值值越越大大，声声光
14、光材材料料制制成成的的调调制制器器所所允允许许的的调制带宽越大。调制带宽越大。UPDOWNBACK7/30/20247/30/2024 共共2929页页 2020四四. 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，是工作于声束和光束的发散角比，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，希望衍射光尽量与量与0级光分开，要求衍射光中心和级光分开，要求衍射光中心和0级光中心之间的夹角大级光中心之间的夹角大于于 ，即大于，即大于
15、。 由于衍射光和由于衍射光和0级光之间的夹级光之间的夹角（即偏转角）等于角（即偏转角）等于 UPDOWNBACK7/30/20247/30/2024 共共2929页页 2121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。UPDOWNBACK7/30/20247/30/2024 共共2929页页 2222五五. 声束和光束的匹配声束和光束的匹配 声声光光布布喇喇格格衍衍射射型型波波导导调调制制器器结结构构示示意意图图如如图图4所所示示。相相对对于于声声波波波波前前以以 B 入入射射的的波波导导光光波波穿穿过过输输出
16、出棱棱镜镜时时，得得到到与与入入射射光束成光束成2 B 角的角的1级衍射光。其光强为级衍射光。其光强为 ：在电场作用下导波光通过长度为：在电场作用下导波光通过长度为L距离的相位延迟；距离的相位延迟；B是是一比例系数，它取决于波导的有效折射率一比例系数，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，从而可实现的变化而变化，从而可实现对波导光的调制。对波导光的调制。 UPDOWNBACK7/30/20247/30/2024 共共2929页页 2323 i dks入射光入射光衍射光衍射光L声声表表面面波波电声换能器电声换能器波导层波导层y切割切割LiNbO3衬底衬底图图4 声光波喇格波导调制器声光波喇格波导调制器结束语结束语谢谢大家聆听！谢谢大家聆听！24
