1、聲光調(diào)制是利用聲光效應(yīng)將信息加載于光頻載波上的一種物理過(guò)程。,13 聲光調(diào)制,聲光體調(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)電源等所組成。,聲波是一種彈性波(縱向應(yīng)力波)，在介質(zhì)中傳播時(shí)，它使介質(zhì)產(chǎn)生相應(yīng)的彈性形變，從而激起介質(zhì)中各質(zhì)點(diǎn)沿聲波的傳播方向振動(dòng)，引起介質(zhì)的密度呈疏密相間的交替變化，因此，介質(zhì)的折射率也隨著發(fā)生相應(yīng)的周期性變化。,超聲場(chǎng)作用的這部分如同一個(gè)光學(xué)的“相位光柵”，該光柵間距(光柵常數(shù))等于聲波波長(zhǎng)s。當(dāng)光波通過(guò)此介質(zhì)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生光的衍射。其衍射光的強(qiáng)度、頻率、方向等都隨著超聲場(chǎng)的變化而變化。,聲波在介質(zhì)中傳播分為行波和駐波兩種形式。圖1.31所示為某一瞬間

2、超聲行波的情況，其中深色部分表示介質(zhì)受到壓縮，密度增大，相應(yīng)的折射率也增大，而白色部分表示介質(zhì)密度減小，對(duì)應(yīng)的折射率也減小。在行波聲場(chǎng)作用下，介質(zhì)折射率的增大或減小交替變化，并以聲速s(一般為,n 大,n 小,103ms量級(jí))向前推進(jìn)。由于聲速僅為光速(108m)的數(shù)十萬(wàn)分之，所以對(duì)光波來(lái)說(shuō)，運(yùn)動(dòng)的“聲光柵”可以看作是靜止的。設(shè)聲波的角頻率為s，波矢為ks （2/ s)，則,此處 n = -(1/2)no3 PS， （1.3-3) 式中，S為超聲波引起介質(zhì)產(chǎn)生的應(yīng)變，P為材料的彈光系數(shù)(激光器件與技術(shù)教程的附錄 )。,式中a為介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的瞬時(shí)位移，A為質(zhì)點(diǎn)位移的幅度。可近似地認(rèn)為，介質(zhì)折射率的變

3、化正比于介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)沿x方向位移的變化率，即,聲波的方程為,考慮到宏觀量，驗(yàn)證后得知，行波時(shí)的折射率,1.3.3,聲駐波是由波長(zhǎng)、振幅和相位相同，傳播方向相反的兩束聲波疊加而成的，如圖1. 3-2所示。其聲駐波方程為,上式說(shuō)明，聲駐波的振幅為2Acos(2x/s )，它在x方向上各點(diǎn)不同，但相位2t / Ts在各點(diǎn)均相同。同時(shí)，由上式還可看出，在x ns /2 或2ns /4 (n = 0,1,2,)各點(diǎn)上，駐波的振幅為極大(等于2A)，這些點(diǎn)稱為波腹，波腹間的距離為s 2。在x(2n+1) s4的各點(diǎn)上，駐波的振幅為零，這些點(diǎn)稱為波節(jié)，波節(jié)之間的距離也是s2。,(1.3-4),由于聲駐波的波腹和

4、波節(jié)在介質(zhì)中的位置是固定的，因此它形成的光柵在空間也是固定的。聲駐波形成的折射率變化(正比于介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)沿x方向位移的變化率, 對(duì)上式求導(dǎo)并令n = - 4A /s ),(1.3-5),聲駐波在一個(gè)周期內(nèi)，介質(zhì)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(Ts2)就在波腹處變化一次，由極大(或極小)變?yōu)闃O小(或極大)。在兩次變化的某一瞬間，介質(zhì)各部分的折射率相同，相當(dāng)于一個(gè)沒(méi)有聲場(chǎng)作用的均勻介質(zhì)。若超聲頻率為fs，那么光柵出現(xiàn)和消失的次數(shù)則為2 fs ，因而光波通過(guò)該介質(zhì)后所得到的調(diào)制光的調(diào)制頻率將為聲頻率的兩倍。,按照聲波頻率的高低以及聲波和光波作用長(zhǎng)度的不同，聲光互作用可以分

5、為拉曼納斯(RamanNath)衍射和布拉格(Bragg)衍射兩種類型。,二、聲光相互作用的兩種類型,當(dāng)超聲波頻率較低，光波平行于聲波面入射(即垂直于聲場(chǎng)傳播方向)，聲光互作用長(zhǎng)度L較短時(shí)，產(chǎn)生拉曼納斯衍射。,當(dāng)超聲波頻率較低，光波平行于聲波面入射(即垂直于聲場(chǎng)傳播方向)，聲光互作用長(zhǎng)度L較短時(shí)，產(chǎn)生拉曼納斯衍射。由于聲速比光速小很多，故聲光介質(zhì)可視為一個(gè)靜止的平面相位光柵。而且聲波長(zhǎng)s比光波長(zhǎng)大得多，當(dāng)光波平行通過(guò)介質(zhì)時(shí)，幾乎不通過(guò)聲波面，因此只受到相位調(diào)制，即通過(guò)光學(xué)稠密(折射率大)部分的,1拉曼-納斯衍射,光波波陣面將推遲，而通過(guò)光學(xué)疏松(折射串小)部分的光波波陣面將超前，于是通過(guò)聲光介

6、質(zhì)的平面波波陣面出現(xiàn)凸凹現(xiàn)象，變成一個(gè)折皺曲面，如圖1.3-3所示。由出射波陣面上各子波源發(fā)出的次波將發(fā)生相干作用，形成與入射方向?qū)ΨQ分布的多級(jí)衍射光，這就是拉曼納斯衍射。,？,下面對(duì)光波的衍射方向及光強(qiáng)的分布進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。,設(shè)聲光介質(zhì)中的聲波是一個(gè)寬度為L(zhǎng)沿著x方向傳播的平面縱波(聲柱)，波長(zhǎng)為s(角頻率s)，波矢量ks 指向x軸，入射光波矢量 ki 指向y軸方向，如圖1.3-4所示。聲波在介質(zhì)引起的彈性應(yīng)變場(chǎng)可表示為,根據(jù)前面的(1.3-3)式，則有,Ein = A exp(ic t) (1.3-9) 則在 yL2處出射的光波不再是單色平面波，而是一個(gè)被調(diào)制了的光波，其等相面是由函數(shù)n(x

7、)決定的折皺曲面，其光場(chǎng)可寫成 (1.3-10),當(dāng)把聲行波近似視為不隨時(shí)間變化的超聲場(chǎng)時(shí)，可略去對(duì)時(shí)間的依賴關(guān)系，這樣沿x方向的折射率分布可簡(jiǎn)化為,n (x, t) = n o + n sin (s t - k s x) (1.3-7),n (x, t) = no + n sin (k s x) (1.3-8),式中no為平均折射率； n為聲致折射率變化。由于介質(zhì)折射率發(fā)生了周期性的變化，所以會(huì)對(duì)入射光波的相位進(jìn)行調(diào)制。如果考察的是一平面光波垂直入射的情況，它在聲光介質(zhì)的前表面y-L2處入射，入射光波為,該出射波陣面可分成若干個(gè)子波源，則在很遠(yuǎn)的P點(diǎn)處總的衍射,(1.3-12),式中，lsi

8、n (因觀察角度不同引起的附加相位延遲)表示衍射方向的正弦; q為入射光束寬度。將 (n)k iL 2(n)L代入上式(是因折射率不同引起的附加相位延遲) ，并利用歐拉公式展開(kāi)成下面形式：,(1.311),光場(chǎng)強(qiáng)是所有子波源貢獻(xiàn)的求和，即由下列積分決定：,利用關(guān)系式：,+,式中，Jr( )是r階貝塞爾函數(shù)。將此式代入(1.3-12)式，經(jīng)積分得到實(shí)部的表示式為,(因?yàn)閗 =2/) (1.3-15),（1.3-13),而（1.3-12)式的虛部的積分為零。由上式可以看出，衍射光場(chǎng)強(qiáng)各項(xiàng)取極大值的條件為 l ki 土 m ks0 (m整數(shù)0) (1.3-14) 當(dāng)角和聲波波矢ks 確定后，其中某一

9、項(xiàng)為極大時(shí)，其他項(xiàng)的貢獻(xiàn)幾乎等于零，因而當(dāng)m取不同值時(shí)，不同角方向的衍射光取極大值。(1.3-14)式則確定了各級(jí)衍射的方位角,綜述以上分析，拉曼納斯聲光衍射的結(jié)果，使光波在遠(yuǎn)場(chǎng)分成一組衍射光，它們分別對(duì)應(yīng)于確定的衍射角m(即傳播方向)和衍射強(qiáng)度，其中衍射角由(1. 315)式?jīng)Q定；而衍射光強(qiáng)由(1.316)式?jīng)Q定，因此這一組衍射光是離散型的。由于 ，故各級(jí)衍射光對(duì)稱地分布在零級(jí)衍射光兩側(cè)，且同級(jí)次衍射光的強(qiáng)度相等。這是拉曼納斯衍射的主要持征之一。另外，由于,(1.3-15),(1.316),式中，m表示衍射光的級(jí)次。各級(jí)衍射光的強(qiáng)度為,表明無(wú)吸收時(shí)衍射光各級(jí)極值光強(qiáng)之和應(yīng)等于入射光強(qiáng)，即光功

10、率是守恒的。,由于光波與聲波場(chǎng)的相互作用，各級(jí)衍射光波將產(chǎn)生多普勒頻移，根據(jù)能量守恒原理，應(yīng)有 i土m s (1. 3-17) 而且各級(jí)衍射光強(qiáng)將受到角頻率為2 s的調(diào)制。但由于超聲波頻率為109Hz，而光波頻率高達(dá)1014Hz量級(jí)， 故頻移的影響可忽略不計(jì)。,當(dāng)聲波頻率較高，聲光作用長(zhǎng)度L較大， 而且光束與聲波波面間以一定的角度斜入射 時(shí)，光波在介質(zhì)中要穿過(guò)多個(gè)聲波面，故介質(zhì)具有“體光柵”的性質(zhì)。當(dāng)入射光與聲波面間夾角滿足一定條件時(shí)，介質(zhì)內(nèi)各級(jí)衍射光會(huì)相互干涉，各高級(jí)次衍射光將互相抵消，只出現(xiàn)0級(jí)和+l級(jí)(或-1級(jí))(視入射光的方向而定)衍射光，即產(chǎn)生布拉格衍射(類似于閃耀光柵），如圖1.

11、3-5所示。因此，若能合理選擇參數(shù)，超聲場(chǎng)足夠強(qiáng)，可使入射光能量幾乎全部轉(zhuǎn)移到+1級(jí)(或-1級(jí))衍射極值上。因而光束能量可以得到充分利用，因此，利用布拉格衍射效應(yīng)制成的聲光器件可以獲得較高的效率。,2.布拉格（Bragg)衍射,(1)各向同性介質(zhì)中的正常布拉格衍射。,下面從波的干涉加強(qiáng)條件來(lái)推導(dǎo)布拉格方程。為此，可把聲波通過(guò)的介質(zhì)近似看作許多相距為s的部分反射、部分透射的鏡面。對(duì)于行波超聲場(chǎng)，這些鏡面將以速度v s 沿x方向移動(dòng)。因?yàn)閟 c ，所以在某一瞬間，超聲場(chǎng)可近似看成是靜止的，因而對(duì)衍射光的強(qiáng)度分布沒(méi)有影響。對(duì)駐波超聲場(chǎng)則完全是不動(dòng)的，,如圖1.36所示。當(dāng)平面波 l,2 和 3 以角

12、度i入射至聲波場(chǎng)，在B，C，E各點(diǎn)處部分反射，產(chǎn)生衍射光1，2，3。各衍射光相干增強(qiáng)的條件是它們之間的光程差應(yīng)為其波長(zhǎng)的整倍數(shù)(確保同相位)。圖1. 36(a)表示在同一鏡面上的衍射情況入射光l和2在B，C點(diǎn)反射的1和2同相位的條件，必須使光程差A(yù)CBD等于光波波長(zhǎng)的整倍數(shù)，即 xc(cosi - cos d )m/n (1.318),要使聲波面上所有點(diǎn)同時(shí)滿足這一條件，只有使 i = d (1.319) 即入射角等于衍射角時(shí)才能實(shí)現(xiàn)。,對(duì)于相距s的兩個(gè)不同鏡面上的衍射情況，如圖1.36(b)所示，由C，E點(diǎn)反射的2，3光束具有同相位的條件，其光程差FE十EG必須等于光波波長(zhǎng)的整數(shù)倍，即 s

13、(sin i +sin d )m /n (1.320) （不是書上的余弦）考慮到i = d，所以,i,d,2 s sin B /n 或者 sin B / (2 n s ) = f s / (2 n vs ) (1.3-21) 式中i = d = B , 稱為布拉格角?？梢?jiàn)，只有入射角i等于布拉格角B時(shí)，在聲波面上衍射的光波才具有同相位，滿足相干加強(qiáng)的條件，得到衍射極值，上式稱為布拉格方程。,下面簡(jiǎn)要分析布拉格衍射光強(qiáng)度與聲光材料特性和聲場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系。根據(jù)推證，當(dāng)入射光強(qiáng)為Ii時(shí)，布拉格聲光衍射的0級(jí)和1級(jí)衍射光強(qiáng)的表達(dá)式可分別寫成,已知是光波穿過(guò)長(zhǎng)度為L(zhǎng)的超聲場(chǎng)所產(chǎn)生的附加相位延遲。 可用聲致

14、折射率的變化n來(lái)表示(前面提過(guò)), 即2nL 則,(1.323),式中， ，是聲光介質(zhì)的物理參數(shù)組合，是由介質(zhì)本身性質(zhì)決定的量，稱為聲光材料的品質(zhì)因數(shù)(或聲光優(yōu)質(zhì)指標(biāo))，它是選擇聲光介質(zhì)的主要指標(biāo)之一。從(1.3-27)式可見(jiàn)：,(a)若在超聲功率Ps一定的情況下，欲使衍射光強(qiáng)盡量大，則要求選擇M2大的材料，并且把換能器做成長(zhǎng)而窄(即L大H小)的形式；,(b)當(dāng)超聲功率Ps足夠大，使 達(dá)到 時(shí)，I1/Ii=100%；,(c)當(dāng)Ps改變時(shí)，I1/Ii 也隨之改變，因而通過(guò)控制Ps ，(即控制加在電聲換能器上的電功率)就可以達(dá)到控制衍射光強(qiáng)的目的，實(shí)現(xiàn)聲光調(diào)制。,上面是從光波的相干疊加來(lái)說(shuō)明布拉格

15、聲光互作用原理的。也可以從光和聲的量子特性得出聲光布拉格衍射條件。光束可以看成是能量為i，動(dòng)量為ki的光子(粒子)流，其中i和ki為光波的角頻率和波矢。同樣, 聲波也可以看成是能量為 s 、動(dòng)量為 ks的聲子流，聲光互作用可以看成光子和聲子的一系列碰撞，每一次碰撞導(dǎo)致一個(gè)入射光子（ i ）和一個(gè)聲子(s )的湮沒(méi)，同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)頻率為d = i + s的新(衍射)光子。根據(jù)碰撞前后動(dòng)量守恒原理， 應(yīng)有 ki土 ks kd,(2)布拉格聲光衍射的粒子模型。,即 ki土kskd （1.3-28）,同樣，根據(jù)能量定恒，應(yīng)有 i土 s d 即 i土sd （1.3-29）,式中，“十”表示吸收聲子；“一”

16、表示放出聲子。它取決于光子和聲子碰撞時(shí)ki和ks的相對(duì)方向，即衍射光子是由碰撞中消失的光子和吸收聲子所產(chǎn)生，公式中取“十”號(hào)，其頻率為d =i+s；苦碰撞中由個(gè)入射光子的消失，同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)聲子和衍射光子，則公式中取“一”號(hào)，其頻率為d =i-s。,由于光波頻率（i）遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于聲波頻率(s)，故由(1.3-29)式可近似地認(rèn)為 d i土s i (1.3-30),因此 kd= ki （1.3-31),于是有 這就是前面所得到的布拉格方程。,從理論上說(shuō)，拉曼-納斯衍射和布拉格衍射是在改變聲光衍射參數(shù)時(shí)出現(xiàn)的兩種極端情況。影響出現(xiàn)兩種衍射情況的主要參數(shù)是，聲波長(zhǎng)s 、光束入射角i及聲光作用距離L。,3.

17、區(qū)分拉曼-納斯衍射布拉格衍射的定量標(biāo)準(zhǔn),為了給出區(qū)分兩種衍射的定量標(biāo)準(zhǔn)，特引入?yún)?shù)G來(lái)表征，即,(1.338),當(dāng)L小且s大(G1)時(shí)，為布拉格衍射。為了尋求一個(gè)實(shí)用的標(biāo)準(zhǔn)，即當(dāng)G參數(shù)大到一定值后，除0級(jí)和1級(jí)外，其他各級(jí)衍射光的強(qiáng)度都很小，可以忽略不計(jì)。達(dá)到這種情況時(shí)即可認(rèn)為已進(jìn)入布拉格衍射區(qū)。經(jīng)過(guò)多年的實(shí)踐，現(xiàn)已普遍采用下列定量標(biāo)準(zhǔn)：,(1.339),聲光互作用可看成參量互作用的過(guò)程，即首先由于聲場(chǎng)的擾動(dòng)，引起介質(zhì)電極化率在時(shí)間和空間上的周期變化，而使入射光波和介質(zhì)中超聲波耦合而產(chǎn)生了一系列具有復(fù)合頻率的極化波。由耦合波理論可以推得，在各向同性介質(zhì)中入射光場(chǎng)Ei和衍射光場(chǎng)Ed滿足布拉格條件

18、的耦合波方程為：,1.3-54,當(dāng)入射光振輻為及Ei(0)、頻率為i時(shí)， Ed (0)0，上面方程變?yōu)?4布拉格衍射的理論分析耦合波理論（一般了解）,上式說(shuō)明兩種光波在聲光相互作用的過(guò)程中光功率是守恒的。由前面的耦合系數(shù) ，并考慮xi=xd=L/cosB ,則定義一個(gè)新量：,其入射光強(qiáng)和衍射光強(qiáng)隨 的變化如圖1.310所示。聲光衍射效率定義為輸出衍射光強(qiáng)與輸入光強(qiáng)之比，即,(1.3-57),因此，以光強(qiáng)表示(1355)式，可寫成,1.3-58,由(1.357)式可見(jiàn)，當(dāng)/2/2時(shí), Ii 0，而Id Ii(0)，即入射光的全部能量將轉(zhuǎn)移到衍射光束中去，即理想的布拉格衍射效率可達(dá)到100，故在聲

19、光器件中多采用布拉格衍射效應(yīng)。,聲光體調(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)電源等所組成，如圖1.311所示。,(1)聲光介質(zhì)，聲光介質(zhì)是聲光互作用的場(chǎng)所。當(dāng)一束光通過(guò)變化的超聲場(chǎng)時(shí)，由于光和超聲場(chǎng)的互作用，其出射光就具有隨時(shí)間而變化的各級(jí)衍射光，利用衍射光的強(qiáng)度隨超聲波強(qiáng)度的變化而變化的性質(zhì)，就可以制成光強(qiáng)度調(diào)制器。,三、聲光體調(diào)制器,1聲光體調(diào)制器的組成,(2)電聲換能器(又稱超聲發(fā)生器),(3)吸聲(或反射)裝置(放置在超聲源的對(duì)面)。,(4)驅(qū)動(dòng)電源 它用以產(chǎn)生調(diào)制電信號(hào)施加于電聲換能器的兩端電極上，驅(qū)動(dòng)聲光調(diào)制器(換能器)工作。,聲光調(diào)制是利用聲光效應(yīng)將信息加載于光

20、頻載波上的一種物理過(guò)程。調(diào)制信號(hào)是以電信號(hào)(調(diào)輻)形式作用于電聲換能器上而轉(zhuǎn)化為以電信號(hào)形式變化的超聲場(chǎng)，當(dāng)光波通過(guò)聲光介質(zhì)時(shí)，由于聲光作用，使光載波受到調(diào)制而成為“攜帶”信息的強(qiáng)度調(diào)制波。,2聲光調(diào)制的工作原理,由前面分析可知，無(wú)論是拉曼納斯衍射，還是布拉格衍射，其衍射效率均與附加相位延遲因子2nL有關(guān)，而其中聲致折射率差n正比于彈性應(yīng)變幅值S，而S聲功率Ps，故當(dāng)聲波場(chǎng)受到信號(hào)的調(diào)制使聲波振幅隨之變化，則衍射光強(qiáng)也將隨之做相應(yīng)的變化。,布拉格聲光調(diào)制特性曲線與電光強(qiáng)度調(diào)制相似，如圖1.312所示。由圖可以看出：衍射效率與超聲功率Ps只是非線性調(diào)制曲線形式，為了使調(diào)制不發(fā)生畸變，則需加超聲偏

21、置（類似于電光調(diào)制中的偏壓V /4 =V/2 ），使其工作在線性較好的區(qū)域。,對(duì)于拉曼納斯型衍射，工作聲頻率低于10MHz，圖1.313(a)示出了這種調(diào)制器的工作原理，其各級(jí)衍射光強(qiáng)比例于 。若取某一級(jí)衍射光作為輸出，可利用光欄將其他級(jí)的衍射光遮擋，則從光欄孔出射的光束就是一個(gè)隨變化的調(diào)制光。由于拉曼納斯型衍射效率低，光能利用率也低，根據(jù)前面判據(jù)(1.338)式,圖1.3-13 聲光調(diào)制特性曲線 (a) 拉曼-納斯型， (b) 布拉格型,所確定的相互作用長(zhǎng)度L?。划?dāng)工作頻率較高時(shí)，最大允許長(zhǎng)度太小，要求的聲功率很高，因此拉曼納斯型聲光調(diào)制器只限于低頻工作，只具有有限的帶寬。 #,對(duì)于布拉格型

22、衍射，其衍射效率由前面的(1.358)式給出。布拉格型聲光調(diào)制器工作原理如圖1.313(b)所示。在聲功率Ps (或聲強(qiáng)Is )較小的情況下，衍射效率s 隨聲強(qiáng)度Is單調(diào)地增加(呈線性關(guān)系)；,圖1.3-13 聲光調(diào)制特性曲線 (a) 拉曼-納斯型， (b) 布拉格型,式中的cosB因子是考慮了布拉格角對(duì)聲光作用的影響。由式可見(jiàn)，若對(duì)聲強(qiáng)加以調(diào)制，衍射光強(qiáng)也就受到調(diào)制了。布拉格衍射必須使入射光束以布拉格角B入射，同時(shí)在相對(duì)于聲波陣面對(duì)稱方向接收衍射光束時(shí)，才能得到滿意的結(jié)果。布拉格衍射由于效率高，且調(diào)制帶寬較寬，故多被采用。,3. 調(diào)制帶寬,(1.3-60),式中， B是由于光束和聲束的發(fā)散所

23、引起的入射角和衍射角的變化量，也就是布拉格角允許的變化量。,聲光效應(yīng)的另一個(gè)重要用途是用來(lái)使光束偏轉(zhuǎn)。聲光偏轉(zhuǎn)器的結(jié)構(gòu)與布拉格聲光調(diào)制器基本相同，所不同之處在于聲光調(diào)制器是改變衍射光的強(qiáng)度，而聲光偏轉(zhuǎn)器則是利用改變聲波頻率來(lái)改變衍射光的方向，使之發(fā)生偏轉(zhuǎn)，既可以使光束連續(xù)偏轉(zhuǎn)，也可以是分離的光點(diǎn)掃描偏轉(zhuǎn)。,四、聲光偏轉(zhuǎn),從前面的聲光布拉格衍射理論分析可知，光束以i角入射介質(zhì)產(chǎn)生衍射極值應(yīng)滿足布拉格條件：,1聲光偏轉(zhuǎn)原理,布拉格角一般很小，可寫為,（1.3-71),由上式可以看出：改變超聲波的頻率fs，就可以改變其偏轉(zhuǎn)角 ，從而達(dá)到控制光束傳播方向的目的。即超聲頻率改變fs引起光束偏轉(zhuǎn)角(求導(dǎo)數(shù)

24、）的變化為,這可用圖1.316及聲光波矢關(guān)系予以說(shuō)明。設(shè)聲波頻率為fs時(shí),聲光衍射滿足布拉格條件，則聲光波矢因?yàn)殚]合等腰三角形(AOB),(1.3-73),故衍射光與入射光間的夾角(偏轉(zhuǎn)角)等于布拉格角B的2倍，即,(1.3-72),因?yàn)楹?角都很小，因而可近似認(rèn)為 = ks / kd = fs /(n s) (而不是書上的ks / ks ) 所以偏轉(zhuǎn)角與聲頻的改變成正比。,B,衍射極值沿著與超聲波面成d角的方向。若聲波頻率變?yōu)閒s十 fs時(shí)，則根據(jù)ks 2 fs / s的關(guān)系，聲波波矢量將有ks 2 fs / s的變化。由于入射角i不變,衍射光波矢大小也不變,則聲光波矢圖不再閉合。光束將沿著

25、OB方向衍射,相應(yīng)的光束偏轉(zhuǎn)為 。,五、聲光調(diào)制器設(shè)計(jì)應(yīng)考慮的事項(xiàng) 根據(jù)聲光調(diào)制器的工作過(guò)程，首先是由電聲換能器把電振蕩轉(zhuǎn)換成超聲振動(dòng)，再通過(guò)換能器和聲光介質(zhì)間的粘合層把振動(dòng)傳到介質(zhì)中形成超聲波，因此必須考慮如何能有效地把驅(qū)動(dòng)電源所提供的電功率轉(zhuǎn)換成聲光介質(zhì)中的超聲波功率。其次，在聲光介質(zhì)中，通過(guò)聲光互作用，超聲波將引起入射光束的布拉格衍射而得到衍射光，因此必須考慮如何提高其衍射效率，考慮能夠在多大頻率范圍內(nèi)無(wú)失真地進(jìn)行調(diào)制。也就是怎樣設(shè)計(jì)才能在較大的頻率范圍內(nèi)提供方向合適的超聲波，使入射光方向和超聲波波面間的夾角i在該頻率范圍內(nèi)均能滿足布拉格條件，亦即怎樣設(shè)計(jì)才能提高其布拉格,帶寬。本節(jié)就是

26、根據(jù)聲光調(diào)制器的要求對(duì)聲光介質(zhì)材料的選擇和電聲換能器的設(shè)計(jì)等問(wèn)題進(jìn)行一定的分析。 介質(zhì)材料的性能對(duì)調(diào)制器的質(zhì)量有直接的影響，因此合理選擇聲光材料是很重要的設(shè)計(jì)時(shí)主要應(yīng)考慮以下幾方面的因素： (1)應(yīng)使調(diào)制器的調(diào)制效率高，而需要的聲功率盡量小。 調(diào)制器的調(diào)制效率是用調(diào)制后的光強(qiáng)(即衍射光強(qiáng))與入射光強(qiáng)的比值表征的，即 其中 M2，即M2（ ）品質(zhì)因數(shù)越大,越大，因而調(diào)制效率就高。在選擇聲光材料時(shí)，在綜合考慮材料的物理、化學(xué)性能的條件下，應(yīng)選用M2 值大的材料。,(2)應(yīng)使調(diào)制器有較大的調(diào)制帶寬。 我們己知，布拉格條件是sinB /(2s)，顯然，當(dāng)光波和聲波波長(zhǎng)變化時(shí)，將引起布拉格角的變化。實(shí)際

27、上，光波具有一定的頻譜寬度，當(dāng)調(diào)制器在寬的頻帶范圍內(nèi)工作時(shí)，聲頻相對(duì)于中心頻率的偏離，就要引起衍射角偏離布拉格角，當(dāng)超過(guò)一定值時(shí)，將使調(diào)制器的工狀態(tài)不滿足布拉格條件，因而1級(jí)衍射光強(qiáng)變小。將1級(jí)衍射光強(qiáng)下降到相對(duì)于在中心頻率時(shí)的衍射光強(qiáng)的一半所對(duì)應(yīng)的頻率變化fs定義為布拉格帶寬。根據(jù)推證，近似有 ，故聲光材料的nvs2(即M1 nvs2 M2)越大，其布拉格帶寬就越寬，故為了調(diào)制器能有較寬的帶寬，應(yīng)選品質(zhì)因數(shù)M1值大的材料。,2電聲換能器 電聲換能器的作用是將電功率轉(zhuǎn)變?yōu)槁暪β剩员阍诼暪饨橘|(zhì)中建立起超聲場(chǎng)。一般都是利用某種材料的反壓電效應(yīng)，在外加電場(chǎng)作用下產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，所以它既是一個(gè)機(jī)械振動(dòng)

28、系統(tǒng)，又是一個(gè)與外加調(diào)制電源有聯(lián)系的電振蕩系統(tǒng)。在這里主要分折電聲換能器的工作機(jī)理、電持性及機(jī)械振動(dòng)和電振蕩回路的匹配等問(wèn)題。 3聲束和光束的匹配 由于入射光束具有一定寬度，并且聲波在介質(zhì)中是以有限的速度傳播的，因此聲波穿過(guò)光束需要一定的渡越時(shí)間。光束的強(qiáng)度變化對(duì)于聲波強(qiáng)度變化的響應(yīng)就不可能是瞬時(shí)的。為了縮短其渡越時(shí)間以提高其響應(yīng)速度，調(diào)制器工作時(shí)用透鏡將光束聚集在聲光介質(zhì)中心，光束成為極細(xì)的高斯光束，從而減小其渡越時(shí)間。事實(shí)上，,為了充分利用聲能和光能，認(rèn)為聲光調(diào)制器比較合理的情況是工作于聲束和光束的發(fā)散角比 1 ( ， i：光束發(fā)射角， ：聲束發(fā)射角），這是因?yàn)槁暿l(fā)散角大于光束發(fā)散角時(shí)，

29、其邊緣的超聲能量就浪費(fèi)了；反之，如果光發(fā)散角大于聲發(fā)散角，則邊緣光線因?yàn)橐褯](méi)有方向合適的(即滿足布拉格條件的)超聲而不能被衍射。所以在設(shè)計(jì)聲光調(diào)制器時(shí)，應(yīng)比較精確地確定二者的比值。一般的光束發(fā)散角i s d0。式中d0為聚焦在聲光介質(zhì)中的高斯光束腰部直徑，超聲波束發(fā)散角 s L。式中L為換能器長(zhǎng)度，于是得到比值 (1.3-88) 根據(jù)實(shí)驗(yàn)證明，調(diào)制器在1. 5時(shí)性能最好。,磁光效應(yīng)是磁光調(diào)制的物理基礎(chǔ)。當(dāng)光波通過(guò)這種磁化的物體 (磁性物質(zhì)）時(shí)，其傳播特性發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為磁光效應(yīng)。 磁光效應(yīng)包括法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)、克爾效應(yīng)、磁雙折射效應(yīng)等。其中最主要的是法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，它使一束線偏振光在外加磁

30、場(chǎng)作用下的介質(zhì)中傳播時(shí)，其偏振方向發(fā)生旋轉(zhuǎn)，其旋轉(zhuǎn)角度 的大小與沿光束方向的磁場(chǎng)強(qiáng)H和光在介質(zhì)中傳播的長(zhǎng)度L之積成正比，即 VHL (1.4-1),式中，V稱為韋爾代(verdet)常數(shù)，它表示在單位磁場(chǎng)強(qiáng)度下線偏振光通過(guò)單位長(zhǎng)度的磁光介質(zhì)后偏振方向旋轉(zhuǎn)的角度。表1.4-l列出了一些磁光材料的韋爾代常數(shù)。,1.4 磁光調(diào)制,對(duì)于旋光現(xiàn)象的物理原因，可解釋為外加磁場(chǎng)使介質(zhì)分子的磁矩定向排列，當(dāng)一束線偏振光通過(guò)它時(shí)，分解為兩個(gè)頻率相同、初相位相同的兩個(gè)圓偏振光，其中一個(gè)圓偏振光的電矢量是順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，稱為右旋圓偏振光，而另一個(gè)圓偏振光是逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)的，稱為左旋圓偏振光。這兩個(gè)圓偏振光無(wú)相互作用

31、地以兩種略有不同的速度 +c/nR和 -c/nL傳播，它們通過(guò)厚度為L(zhǎng)的介質(zhì)之后產(chǎn)生的相位延遲分別為:,所以兩圓偏振光間存在一相位差,當(dāng)它們通過(guò)介質(zhì)之后，又合成為一線偏振光，其偏振方向相對(duì)于入射光旋轉(zhuǎn)了一個(gè)角度。圖1.4-1中zA表示入射介質(zhì)的線偏振光的振動(dòng)方向，將振幅A分解為左旋和右旋兩矢量AL和AR ，假設(shè)介質(zhì)的長(zhǎng)度L使右旋矢量AR剛轉(zhuǎn)回到原來(lái)的位置，此時(shí)左旋光矢量(由于vLvR )轉(zhuǎn)到AL，于是合成的線偏振光A相對(duì)于入射光的偏振方向轉(zhuǎn)了一個(gè)角度，此值等于角的一半，即 = /2 （nR nL）L/ (1.4-3) 可以看出，A的偏振方向?qū)㈦S著光波的傳播 向右旋轉(zhuǎn)。這稱為右旋光效應(yīng)。,(1.

32、4-2),磁致旋光效應(yīng)的旋轉(zhuǎn)方向僅與磁場(chǎng)方向有關(guān)，而與光線傳播方向的正逆無(wú)關(guān)，這是磁致旋光現(xiàn)象與晶體的自然旋光現(xiàn)象不同之處(即當(dāng)光束往返通過(guò)自然旋光物質(zhì)時(shí)，因旋轉(zhuǎn)角相等方向相反而相互抵消)。 但通過(guò)磁光介質(zhì)時(shí)，只要磁場(chǎng)方向不變，旋轉(zhuǎn)角都朝一個(gè)方向增加，此現(xiàn)象表明磁致旋光效應(yīng)是一個(gè)不可逆的光學(xué)過(guò)程，因而可利用來(lái)制成光學(xué)隔離器或單通光閘等器件。,磁光調(diào)制是把欲傳遞的信息轉(zhuǎn)換成光載波的強(qiáng)度(振幅)等參量隨時(shí)間的變化，與電光調(diào)制、聲光調(diào)制所不同的是，磁光調(diào)制是電信號(hào)先轉(zhuǎn)換成與之對(duì)應(yīng)的交變磁場(chǎng)，由磁光效應(yīng)改變?cè)诮橘|(zhì)中傳輸?shù)墓獠ǖ钠駪B(tài)，從而達(dá)到改變光強(qiáng)度等參量的目的。磁光體調(diào)制器的組成如圖1.4-2所示

33、。,二、磁光體調(diào)制器,工作物質(zhì)釔鐵石榴石(YIG或摻Ga的YIG棒)放在沿軸方向z的光路上，它的兩端放置有起、檢偏器，高頻螺旋形線圈環(huán)繞在YIG棒上，受驅(qū)動(dòng)電源的控制，用以提高平行于z軸的信號(hào)磁場(chǎng)。為了獲得線性調(diào)制，在垂直于光傳播的方向上加一恒定磁場(chǎng)Hdc，其強(qiáng)度足以使晶體飽和磁化。當(dāng)工作時(shí)，高頻信號(hào)電流通過(guò)線圈就會(huì)感生出平行于光傳播方向的磁場(chǎng)，入射光通過(guò)YIG晶體時(shí)，由于法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，其偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角與磁場(chǎng)強(qiáng)度H成正比。,z,因此，只要用調(diào)制信號(hào)控制磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化，就會(huì)使光的偏振面發(fā)生相應(yīng)的變化。但這里因加有恒定磁場(chǎng)Hdc ，且與通光方向垂直，故旋轉(zhuǎn)角與Hdc成反比，于是,式中，s 單位長(zhǎng)度飽和法拉弟旋轉(zhuǎn)角；H0sinH t是調(diào)制磁場(chǎng)。L0為介質(zhì)長(zhǎng)度。如果再通過(guò)檢偏，就可以獲得一定強(qiáng)度變化的調(diào)制光。,1.5 直接調(diào)制 直接調(diào)制是把要傳遞的信息轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏餍盘?hào)注入半導(dǎo)體光源(激光二極管LD或半導(dǎo)體二極管LED)，從而獲得已調(diào)制信號(hào)。由于它是在光源內(nèi)部進(jìn)行的，因此又稱為