1、聲光調(diào)制的原理及應(yīng)用,物理科學(xué)學(xué)院光子學(xué)中心 030145 彭灝,序言,激光具有極好的時(shí)間相干性和空間相干性，它與無(wú)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(guò)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(guò)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）。,什

2、么是聲光調(diào)制,聲波是一種縱向機(jī)械應(yīng)力波（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。,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,1 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

3、且以超聲波的速度Vs向前推進(jìn) 在聲光介質(zhì)中，兩列相向而行的超聲波（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/Ts,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

4、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2fs（為超聲頻率的二倍）。,圖1,2 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。,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(guò)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。,圖2 圖3,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

5、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。,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

6、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。,圖4,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=

7、Iicos2v/2 I1=Iisin2v/2 式中 v=2/nL是光波穿過(guò)厚度為L(zhǎng)的超聲場(chǎng)所產(chǎn)生的相位延遲。,3 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(lái)說(shuō)，無(wú)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

8、通過(guò)該調(diào)制器時(shí)，將產(chǎn)生一個(gè)頻率為2fs的調(diào)制光。,聲光調(diào)制的應(yīng)用,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(lái)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。,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(guò)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。,聲光

9、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(lái)越多的拓展到各個(gè)行業(yè)當(dāng)中。,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(guò)超聲轉(zhuǎn)換能器形成超聲波，通過(guò)快速控制超聲波，實(shí)現(xiàn)聲光器件調(diào)制激光束的目的。,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?？哲婏w行員可以利用它分析射到飛機(jī)上的雷達(dá)信號(hào)來(lái)判斷飛機(jī)是否被敵方跟蹤。外來(lái)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(lái)信號(hào)