聲光偏轉(zhuǎn)器物理原理

1、聲光偏轉(zhuǎn)器物理原理-主要方程式 將具有一個(gè)射頻信號(hào)的壓電傳感器粘固在合適的晶體上，那么就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)聲波。類似“相位光柵”，聲波以介質(zhì)中的聲速穿過晶體，聲波波長取決于射頻信號(hào)頻率。任意入射光束通過該光柵時(shí)都會(huì)發(fā)生衍射，通常都會(huì)產(chǎn)生很多條衍射光束。相互作用條件參數(shù)品質(zhì)因數(shù)Q，決定相互作用機(jī)制。Q如下式給出：式中，為激光束的波長，n是晶體的折射率，L是光束穿過聲波的距離，是聲波波長Q<<1 : Raman-Nath衍射機(jī)制。光束大致垂直入射聲波束，會(huì)出現(xiàn)一些衍射條紋，其強(qiáng)度可由Bessel函數(shù)得出。Q>>1 : Bragg衍射機(jī)制。以特定角入射，只有一條衍射條紋其他條紋通過干

2、涉相互抵消在中間情況下，單獨(dú)的分析處理是不可能的，要通過電腦完成一系列分析。（In the intermediate situation, an analytical treatment isn't possible and a numerical analysis would need to be performed by computer）.大多數(shù)聲光設(shè)備運(yùn)行在Bragg機(jī)制下，常見的例外就是聲光模式的鎖模和Q-開關(guān)（Most acousto-optic devices operate in the Bragg regime, the common exception being

3、acousto-optic mode lockers and Q-switches.）波矢解釋聲光效應(yīng)可以用波矢來描述。由動(dòng)量守恒可得：- 入射光波矢- 衍射光波矢.- 聲波波矢這里F是聲波的頻率，聲速為v，ni和nd是入射光和衍射光下的折射率（它們并不是一定相同的）能量守恒推得：Fd = Fi +/- F所以衍射光的光頻率近似等于聲波的頻率。當(dāng)F<<Fd or Fi多普勒頻移幾乎可以忽略，但是在差拍變頻中，卻得到很好應(yīng)用。聲光元件在不同的配置中使用不同的材料。其描述條目如橫?？v模、各向同性、各向異性。盡管它們都是以動(dòng)量和能量守恒為基本原理，但是不同的運(yùn)轉(zhuǎn)模式具有不同的表現(xiàn)形式-如

4、下將要展示的。衍射光特性各向同性相互作用各向同性相互作用也稱縱模相互作用。這種情況下，聲波縱向穿過晶體，入射光束與衍射光束折射率相同。這時(shí)會(huì)有很好的對(duì)稱性，入射角與衍射角對(duì)稱。作用過程中偏振性沒有變化。該效應(yīng)通常發(fā)生在同質(zhì)晶體或者適當(dāng)切割的雙折射晶體中。在各向同性情況下，入射光的入射角一定等于Bragg角: 這里，是晶體中的波長，v是聲速，F(xiàn)是射頻頻率。一階光束與零級(jí)光束之間的夾角是入射角的兩倍，也就是Bragg角的兩倍。衍射光強(qiáng)I1直接受聲波功率P的控制這里，I0是入射光光強(qiáng)，M2是晶體的聲光品質(zhì)值（acousto-optic figure of merit for the crystal）

5、，H和L是聲波束的高度和長度，是入射光束的波長。衍射效率（相對(duì)值）是比值I1/I0對(duì)于給定的情況，如果射頻頻率與Bragg準(zhǔn)則需求略有不同，就會(huì)發(fā)生衍射。但是衍射效率會(huì)下降。情況如下所示，這里聲波矢K比理想“Bragg”波矢K0要長。得出一個(gè)復(fù)雜的分析結(jié)果：式中，被稱為相位差（phase asynchronism）在各向同性時(shí) :對(duì)于精確的Bragg頻率，且效率最大；當(dāng)增加時(shí)，衍射效率下降直至減少為零。如果在可接受衍射效率下進(jìn)行一個(gè)較低的限制，那么就給一個(gè)限制。反過來說，這也意味著的最大值并且定義了設(shè)備的射頻帶寬。增加比值（聲發(fā)散），就可以增加射頻帶寬。隨著射頻頻率的不同，衍射光束的方向也會(huì)變

6、化。這就是聲光偏轉(zhuǎn)器的原理。各向異性各向異性相互作用中， 從另一方面說，入射光折射率與衍射光折射率將會(huì)不同，因?yàn)橄嗷プ饔弥衅裣嚓P(guān)發(fā)生了改變。如下圖所示，聲波矢量K1 連接入射和衍射波的指數(shù)曲線。（K2只是簡單的代表不同射頻頻率下的類似相互作用） 在二氧化碲這樣具體的例子中，聲速會(huì)急速減少，這種不對(duì)稱性不僅影響了折射率的變化也影響了聲波在橫模中的傳輸。在聲波和光波帶寬各向異性相互作用通?？梢栽黾有省Ｋ鼈儙缀醣黄毡橛糜诖罂趶皆O(shè)備。二氧化碲橫模處，聲速的降低，使得該材料常被用于高分辨率偏轉(zhuǎn)器。橫模設(shè)備的帶寬增加值可以由下圖直接看出，選擇互動(dòng)配置故而，聲波矢量與衍射光束指數(shù)橢圓相切。這也就意味著當(dāng)

7、衍射光束波矢長度有一個(gè)小的變化時(shí)，聲波矢量會(huì)有非常大的不同。所以，在這種情況下，（因此，）對(duì)于射頻頻率改變很遲鈍橫模相互作用分析非常復(fù)雜，需要晶體切割、折射率、方向的詳細(xì)信息。然而，橫模相互作用具有很多優(yōu)勢，大多數(shù)偏轉(zhuǎn)器所有的聲光可調(diào)濾光器運(yùn)用的都是橫模相互作用。但是減慢的聲速使得該設(shè)備運(yùn)行比縱模的要慢，某些情況下這也可以看做是它的缺點(diǎn)。布拉格細(xì)胞（BRAGG CELL）的結(jié)構(gòu)盡管聲波效應(yīng)在液體中很容易觀察到，實(shí)際上射頻頻率在MHz 到 GHz的設(shè)備常用晶體玻璃作為相互作用介質(zhì)壓電傳感器按射頻頻率驅(qū)動(dòng)時(shí)就會(huì)產(chǎn)生聲波（圖6）該傳感器放在兩個(gè)電極之間。傳感器的積極限制由上面的電極決定。下面的電極與

8、晶體連接。傳感器的厚度由產(chǎn)生的聲波頻率決定。電極H高度由應(yīng)用類型決定，并且必須超過光束直徑。選擇一個(gè)偏轉(zhuǎn)器，以使晶體內(nèi)部傳播的聲波波束平行。電極長度L由需要的帶寬和效率決定。電極的形狀因匹配阻抗或者聲波形狀的不同而不同。通過優(yōu)化電極的形狀就可以的到聲信號(hào)的空障。（apodization）用一個(gè)帶匹配阻抗的電路來連接驅(qū)動(dòng)的傳感器。實(shí)際上，需要該電路來調(diào)整Bragg細(xì)胞的射頻源阻抗（總共50 Ohms），避免功率返回?fù)p耗。射頻功率返回?fù)p耗（power return loss）的決定參數(shù)就是模擬量輸出（AO，（AO（Analogy Output）模擬量輸出，模擬量輸出的信號(hào)是電壓（如05V、010V

9、間的電壓）或電流（如010mA間的電流），其輸出電壓或電流的大小由控制軟件決定。）設(shè)備的電壓駐波比（VSWR）。晶體通常會(huì)包裹一層氬（AR）以減少光學(xué)表面的反射光。另外，切割表面也可以為特定波長切割成Brewster角不同材料品種都可以使用。它們擁有各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。晶體長度 : 通常 3 to 50 mm傳感器厚度 : 通常 1 to 100 µm電極厚度: 通常 0.1 to 10 µm聲光效應(yīng)對(duì)光束影響總之，Bragg相互作用在設(shè)備中常用的有四個(gè)特性。一些特性是所有設(shè)備所共有的：例如，一個(gè)調(diào)制器也是一個(gè)固定的移頻器，一個(gè)偏轉(zhuǎn)器同時(shí)也是一個(gè)變量器或者調(diào)制器。各個(gè)設(shè)備最大

10、的不同取決于設(shè)計(jì)策略，一滿足不同的實(shí)際應(yīng)用需求。在這一步，組件設(shè)計(jì)師和應(yīng)用工程師的緊密合作是非常重要的。1.偏轉(zhuǎn)衍射光束偏轉(zhuǎn)角正比于聲波頻率。這就是偏轉(zhuǎn)器的原理。2. 調(diào)幅（強(qiáng)度）衍射光束光強(qiáng)是聲波功率的函數(shù)。調(diào)制器（q-開關(guān)）用的就是該屬性。3. 頻移頻移在聲波相互作用中已經(jīng)介紹（*/-等于聲波頻率）。所以任何聲光設(shè)備都可以用作固定頻或者變頻轉(zhuǎn)換器4. 波長調(diào)諧濾波波長選擇就是指在一個(gè)大的帶寬源只有一個(gè)波長適合Bragg條件。這就是聲光可調(diào)濾波器的原理聲光詞匯Bragg細(xì)胞（Bragg cell）:一個(gè)主體為聲光相互作用的設(shè)備（如偏轉(zhuǎn)器，變頻器）零級(jí)條紋、一級(jí)條紋（“Zero” order,

11、”1st” order）:零級(jí)條紋是指直接穿過細(xì)胞的光束。一級(jí)條紋是指聲波下光束相互作用產(chǎn)生的衍射光束。Bragg角（Bragg angle） :給定的衍射效率的，單衍射光束的入射光束特定角（入射光束與聲波之間的夾角）。該角取決于波長和射頻頻率。分離角（Separation angle） :零級(jí)條紋和一級(jí)條紋之間的夾角。射頻帶寬（RF Bandwidth） :對(duì)于一個(gè)給定方向波長的光波，有一個(gè)特定的射頻頻率匹配Bragg準(zhǔn)則。然而，仍然有一定范圍的頻率可以同時(shí)滿足接近最佳位置和衍射效率。射頻帶寬是確定的，例如，偏轉(zhuǎn)器的掃描角度和AOTF的可調(diào)帶寬最大偏轉(zhuǎn)角（Maximum deflection

12、 angle） :射頻頻率掃描過整個(gè)射頻帶寬時(shí)，一級(jí)光束的角度。上升時(shí)間（Rise time） :正比于聲波穿過激光束的時(shí)間，因此，光束中射頻信號(hào)變化所引起響應(yīng)的時(shí)間。通過減少光束的寬度可以減少上升時(shí)間。（Proportional to the time the acoustic wave takes to cross the laser beam and, therefore, the time it takes the beam to respond to a change in the RF signal. The rise time can be reduced by reducing

13、 the beams width.）調(diào)制帶寬（Modulation bandwidth） :在可調(diào)幅下光束的做大頻率。與上升時(shí)間一樣，可以通過降低激光束的直徑來增加。效率（Efficiency） :一級(jí)條紋和未偏轉(zhuǎn)零級(jí)條紋的比值。（The fraction of the zero order beam which can be diffracted into the “1st” order beam）.消光比（Extinction ratio）:當(dāng)聲波分別是“開”和“關(guān)”時(shí)，一級(jí)光束的最大光強(qiáng)和最小光強(qiáng)的比值。頻移（Frequency shift） (F):衍射光束與入射光束的頻率差值。頻移等于聲波頻率，向上移或者下移依視方向而定。分辨率（Resolution） (N):解析點(diǎn)的數(shù)目，依據(jù)Rayleigh判據(jù)描述的、由偏轉(zhuǎn)器生成的、相應(yīng)的偏轉(zhuǎn)光束的分離位置的最大數(shù)目。（The number of resolvable points, which a deflector can generate - correspondi