《聲光調(diào)制原理及應(yīng)用》

1、聲光調(diào)制的原理及應(yīng)用030145 1序言激光具有極好的時(shí)間相干性和空間相干性，它與無線電波相似，易于調(diào)制，且光波的頻率極高，能傳遞信息的容量很大。加之激光束發(fā)散角小，光能高度集中，既能傳輸較遠(yuǎn)距離，又易于保密。因而為光信息傳遞提供了一種理想的光源。我們把欲傳輸?shù)男畔⒓虞d于激光副射的過程稱為激光調(diào)制光調(diào)制分為內(nèi)調(diào)制和外調(diào)制兩類外調(diào)制是指加載調(diào)制信號(hào)在激光形成以后進(jìn)行的，即調(diào)制器置于激光諧振腔外，在調(diào)制器上加調(diào)制信號(hào)電壓，使調(diào)制器的某些物理特性發(fā)生相的變化，當(dāng)激光通過它時(shí)即得到調(diào)制。所以外調(diào)制不是改變激光器參數(shù)，而是改變已經(jīng)輸出的激光的參數(shù)（強(qiáng)度、頻率等）。 2什么是聲光調(diào)制聲波是一種縱向機(jī)械應(yīng)力

2、波（彈性波）。若把這種應(yīng)力波作用到聲光介質(zhì)中時(shí)會(huì)引起介質(zhì)密度呈疏密周期性變化，使介質(zhì)的折射率也發(fā)生相應(yīng)的周期性變化，這樣聲光介質(zhì)在超聲場(chǎng)的作用下，就變成了一個(gè)等效的相位光柵，如果激光作用在該光柵上，就會(huì)產(chǎn)生衍射。衍射光的強(qiáng)度、頻率和方向?qū)㈦S超聲場(chǎng)而變化。所謂“聲光調(diào)制器”就是利用這一原理而實(shí)現(xiàn)光束調(diào)制或偏轉(zhuǎn)的。3聲光調(diào)制的原理1 超聲波在聲光介質(zhì)中的作用2 聲光作用喇曼奈斯衍射布喇格衍射3 聲光調(diào)制器41 超聲波在聲光介質(zhì)中的作用 聲波在介質(zhì)中傳播分為行波和駐波兩種形式行波所形成的聲光柵其柵面是在空間移動(dòng)的。介質(zhì)折射率的增大和減小是交替變化的，并且以超聲波的速度Vs向前推進(jìn)在聲光介質(zhì)中，兩列相

3、向而行的超聲波（其波長(zhǎng)、相位和振幅均相同）產(chǎn)生疊加，在空間將形成超聲駐波。聲駐波形成的聲光柵在空間是固定的，其相位變化與時(shí)間成正弦關(guān)系合成聲波方程為：a(z,t)=a1(z,t)+a2(z,t)=2Acos2z/ssin2t/Ts5介質(zhì)中折射率的變化如圖1所示，聲波在一個(gè)周期T內(nèi)，介質(zhì)將兩次出現(xiàn)疏密層，且在波節(jié)處密度保持不變，因而折射率每隔半個(gè)周期（T/2）在波腹處變化一次，即由極大值變?yōu)闃O小值，或由極小值變?yōu)闃O大值，在兩次變化的某一瞬間介質(zhì)各部分折射率相同，相當(dāng)于一個(gè)不受超聲場(chǎng)作用的均勻介質(zhì)。若超聲頻率（即加在調(diào)制器上的信號(hào)頻率）為fs時(shí)，則聲光柵出現(xiàn)或消失的次數(shù)為2fs，因而調(diào)制光的頻率為

4、2fs（為超聲頻率的二倍）。6圖172 聲光作用 按照超聲波頻率和聲光介質(zhì)厚度的不同，將聲光作用可以分為兩種類型，即喇曼奈斯衍射和布喇格衍射。8喇曼奈斯衍射 在超聲波頻率較低，且聲光介質(zhì)的厚度L又比較小的情況下，當(dāng)激光垂直于超聲場(chǎng)的傳播方向入射到聲光介質(zhì)中時(shí)，將產(chǎn)生明顯的喇曼奈斯聲光衍射現(xiàn)象，如圖2所示。在這種情況下，超聲光柵類似于平面光柵，當(dāng)光通過時(shí)，將產(chǎn)生多級(jí)衍射，而且各級(jí)衍射的極大值對(duì)稱分布在零級(jí)條紋的兩側(cè)，其強(qiáng)度依次遞減。 9圖2 圖310設(shè)超聲波波長(zhǎng)為s，波矢量Ks指向x正方向，而入射光波矢量Ki指向y軸正方向，兩者呈正交（如圖3所示）。 當(dāng)應(yīng)變較小時(shí)，并暫時(shí)略去時(shí)間t的依賴關(guān)系，則

5、折射率隨空間位置x的變化關(guān)系為：n(x)=n0-nsinKsx由于介質(zhì)的折射率發(fā)生周期性變化，所以會(huì)對(duì)入射光束的相位進(jìn)行調(diào)制。出射的光波已不再是平面波，其等相面是一個(gè)由n(x)決定的皺折曲面。其各級(jí)極大值的衍射角應(yīng)滿足公式：ssin=m式中s為超聲波波長(zhǎng)；為入射光波長(zhǎng)。其各級(jí)衍射的光強(qiáng)值為：Im=Jm2(v)v=2/nL上式中Jm2(v)為m階貝塞爾函數(shù)；v表示由于折射率變化n而引起的被調(diào)制光束的相位變化。11布喇格衍射 當(dāng)超聲波頻率較高，且聲光介質(zhì)較厚時(shí)，入射光線以一定角度（i）入射，則產(chǎn)生布喇格聲光衍射（如圖4所示）。布喇格聲光衍射的衍射光不是對(duì)稱分布的，當(dāng)光以某一特定角度入射時(shí)，較高階衍

6、射可以忽略，只出現(xiàn)零級(jí)和1級(jí)或1級(jí)（視入射光方向而定）衍射光。若能合理選擇參數(shù)，超聲波足夠強(qiáng)，可使入射光能量較集中地轉(zhuǎn)移到零級(jí)和1級(jí)（或1級(jí)）衍射極大值上。因而光束能量可以得到充分的利用，獲得較高的效率。12圖413當(dāng)光束以入射角i射入聲光介質(zhì)中時(shí)，由鏡面產(chǎn)生反射，而衍射光干涉，極大值應(yīng)滿足條件： =m(m=0、1、2）。 2ssinB式中B稱為布喇格角。只有入射角i滿足上式的入射光波，才能在id方向上得到衍射極大值。這個(gè)式子通常稱為布喇格衍射公式。 可以證明，當(dāng)入射光強(qiáng)為Ii時(shí)。布喇格衍射的零級(jí)與1級(jí)的衍射光強(qiáng)可分別表示為：I0=Iicos2v/2 I1=Iisin2v/2式中 v=2/nL

7、是光波穿過厚度為L(zhǎng)的超聲場(chǎng)所產(chǎn)生的相位延遲。143 聲光調(diào)制器 聲光調(diào)制器是由聲光介質(zhì)、電聲換能器、吸聲（或反射）裝置及驅(qū)動(dòng)電源等組成。而作為聲光調(diào)制器來說，無論屬于哪種類型（喇曼奈斯型衍射或布喇格型衍射），調(diào)制器都有兩種工作方式，一種是將零級(jí)光束作為輸出；另一種是將1級(jí)衍射光束作為輸出。當(dāng)聲波振幅隨著調(diào)制信號(hào)改變時(shí)，各級(jí)衍射光的強(qiáng)度也將隨之發(fā)生相應(yīng)變化。若將某一級(jí)衍射光和為輸出，利用光闌將其它衍射級(jí)遮攔，則從光闌孔出射的光束就是調(diào)制光。所以，如果用頻率為f的信號(hào)電壓加在電聲換能器上，由此在聲光介質(zhì)中形成超聲場(chǎng)的頻率為fs，當(dāng)光波通過該調(diào)制器時(shí)，將產(chǎn)生一個(gè)頻率為2fs的調(diào)制光。15聲光調(diào)制的應(yīng)

8、用16氣體激光，特別是氬離子激光，由于離子躍遷的特殊性，頻域參量幾乎完全隨即變化，表現(xiàn)為各模式幅度的劇烈起伏和隨機(jī)消失，給鎖模技術(shù)帶來一定困難，采用調(diào)制作用較強(qiáng)的鈮酸鋰石英，聲光調(diào)制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)氬離子激光鎖模，獲得亞毫微秒超短激光脈沖。這種鎖模氬離子激光已用于同步泵浦環(huán)形染料激光器。1718聲光鎖模器實(shí)質(zhì)上是頻率非常穩(wěn)定的超聲駐波與激光束相互作用的一種聲光調(diào)制器。如果聲光鎖模器的調(diào)制頻率與激光腔的縱模頻率間隔完全相等，這樣激光腔的各個(gè)縱橫便受到周期性的調(diào)制并保持相同的相位。經(jīng)過不斷耦合，激光器的輸出就是一系列脈寬極窄的規(guī)則脈沖序列。19聲光調(diào)制的發(fā)展隨著激光技術(shù)的發(fā)展，聲光調(diào)制的應(yīng)用越來越多

9、的拓展到各個(gè)行業(yè)當(dāng)中。20預(yù)（光）刻伺服磁道技術(shù)的研究，利用激光微斑記錄特性使磁盤存儲(chǔ)器的道密度得到大幅提高，而在預(yù)（光）刻伺服錄寫裝置中，一個(gè)重要的任務(wù)就是對(duì)激光束進(jìn)行光強(qiáng)調(diào)制集光脈沖調(diào)制。而通常采用的既是聲光調(diào)制。激光印刷機(jī)中，激光束的偏轉(zhuǎn)調(diào)制器就是應(yīng)用聲光調(diào)制布拉格衍射原理實(shí)現(xiàn)的。利用高頻驅(qū)動(dòng)電路可以產(chǎn)生高頻電振蕩，通過超聲轉(zhuǎn)換能器形成超聲波，通過快速控制超聲波，實(shí)現(xiàn)聲光器件調(diào)制激光束的目的。21在軍事上，它也有廣泛應(yīng)用。例如一種新式探測(cè)器：雷達(dá)波譜分析器。空軍飛行員可以利用它分析射到飛機(jī)上的雷達(dá)信號(hào)來判斷飛機(jī)是否被敵方跟蹤。外來的雷達(dá)信號(hào)與本機(jī)內(nèi)半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生的振蕩信號(hào)經(jīng)混頻、放大后，驅(qū)動(dòng)聲光調(diào)制器，產(chǎn)生超聲波，當(dāng)外來信號(hào)變化