3.3 声光调制

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1、UPDOWNBACK8/30/20248/30/2024 共共2929页页 1 1复习相关知识复习相关知识 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。这如同一个光折射率也随着发生相应的周期性变化。这如同一个光学学“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 s。当光波通当光波通过此介质时，会产生光的衍射。衍射光的强度、频率、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。方向等都随

2、着超声场的变化而变化。声光晶体等价于一个相位光栅声光晶体等价于一个相位光栅UPDOWNBACK8/30/20248/30/2024 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“平面相平面相位栅位栅”。拉曼拉曼-纳斯衍射的特点纳斯衍射的特点 ：由出射波

3、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。UPDOWNBACK8/30/20248/30/2024 共共2929页页 3 3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： UPDOWNBACK8/30/20248/30/2024 共共2929页页 4 4衍射效率为：衍射效率为：UPDOWNBACK8/30/20248/30/2024 共共2929页页 5 5布喇格衍射布喇格衍射产生布喇格衍射条件：产生布喇格衍射条

4、件：声波频率较高，声光作用长度声波频率较高，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，介较大，光束与声波波面间以一定的角度斜入射，介质具有质具有“体光栅体光栅”的性质。的性质。 布喇格衍射的特点：布喇格衍射的特点：衍射光各高级次衍射光将互相抵衍射光各高级次衍射光将互相抵消，只出现消，只出现0级和级和+1级（或级（或 1级）衍射光级）衍射光 。 UPDOWNBACK8/30/20248/30/2024 共共2929页页 6 6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，Ps超声功率；超声功率；H为换能器的宽为换能器的宽度，度，L为换能器的长度。同样的改

5、变超声功率，也可以达到为换能器的长度。同样的改变超声功率，也可以达到改变一级衍射光的强度。改变一级衍射光的强度。 UPDOWNBACK8/30/20248/30/2024 共共2929页页 7 7一一. 声光调制器的工作原理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。的一种物理过程。 调制信号是以电信号调制信号是以电信号(调辐调辐)形式作用于电形式作用于电-声换能声换能器上，电器上，电-声换能器将相应的电信号转化为变化的超声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，使光载场，当

6、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。 3.3 声光调制声光调制(Acousto-optical Modulate)UPDOWNBACK8/30/20248/30/2024 共共2929页页 8 8 声光体调制器是由声光介质、电声光体调制器是由声光介质、电声换能器、吸声声换能器、吸声(或反射或反射)装置及驱动电源等所组成。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，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

7、光就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。化的性质，就可以制成光强度调制器。声光调制器结构声光调制器结构吸声装置吸声装置Laser inLaser out声光体调制器的组成声光体调制器的组成(2)电电声换能器声换能器(又称超声发生器又称超声发生器)(3)吸声吸声(或反射或反射)装置装置(放置在超声源的对面放置在超声源的对面)。(4)驱动电源驱动电源 它用以产生调制电信号施它用以产生调制电信号施加于电加于电声换能器的两端电极上，驱动

8、声换能器的两端电极上，驱动声光调制器声光调制器(换能器换能器)工作。工作。UPDOWNBACK8/30/20248/30/2024 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

9、。 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。UPDOWNBACK8/30/20248/30/2024 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

10、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10MHz。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UPDOWNBACK8/30/20248/30/2024 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

11、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，光能利用率也低纳斯型衍射效率低，光能利用率也低,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，因此拉曼长度太小，要求的声功率很高，因此拉曼纳斯型声光调制纳斯型声光调制器只限于低频工作，只具有有限的带宽。器只限于低频工作，只具有有限的带宽。UPDOWNBACK8/30/20248/30/2024 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

12、2 声光调制器布喇格型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 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。UPDOWNBACK8/30/20248/30/2024 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

13、作在线性较好的区域。使其工作在线性较好的区域。 tPsId(fm)fm(Is)0PS1/2声光调制特性曲线声光调制特性曲线UPDOWNBACK8/30/20248/30/2024 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 )较小的较小的情况下，衍射效率情况下，衍射效率 s 随声强度随声强度Is单调地增加单调地增加(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

14、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。UPDOWNBACK8/30/20248/30/2024 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

15、无畸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。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。UPDOWNBACK8/30/20248/30/2024 共共2929页页 161

16、6 允许的声频带宽与布喇格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 ： 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。入射角覆盖范围入射角覆盖范围UPDOWNBACK8/30/20248/30/2024 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

17、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/vs）成反比，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。但光束发散角可以得到较大的带宽。但光束发散角不能太大不能太大，否则，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，的一半。因此，大的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。 UPDOWNBACK8/30/20248/30/2024 共共2929页页 1818

18、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 UPDOWNBACK8/30/20248/30/2024 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

19、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，声声光光材材料料制制成成的的调调制制器器所允许的调制带宽越大。所允许的调制带宽越大。UPDOWNBACK8/30/20248/30/2024 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 。 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 UPDOWNBACK8/30/20248/30/2024 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。