声光调制实验讲义

声光调制实验讲义前言早在本世纪30年代就开始了声光衍射的实验研究。60年代激光器的问世为声光现象的研究提供了良好的光源，促进了声光效应理论和应用研究的迅速发展。声光效应为控制激光束的频率、方向和强度提供了一个有效的手段。利用声光效应制成的声光器件，如声光调制器、声光偏转器和可调谐滤光器等，在激光技术、光信号处理和集成光通讯技术等方面有着重要应用。声光效应已广泛应用于声学、光学和光电子学。近年来，随着声光技术的不断发展，人们已广泛地开始采用声光器件在激光腔内进行锁膜或作为连续器件的Q开关。由于声光器件具有输入电压低驱动功率小、温度稳定性好、能承受较大光功率、光学系统简单、响应时间快、控制方便等优点，加之新一代的优质声光材料的发现，使声光器件具有良好的发展前景，它将不断地满足工业、科学、军事等方面的需求。一.实验目的1、了解声光器件工作原理。2、掌握声光相互作用原理。3、观察布拉格衍射现象。4、研究声光调制和声光偏转的特性。二.实验原理（一）激光调制技术的发展激光是一种光频电磁波，具有良好的相干性，与无线电波相似，可以用来作为传递信息的载波。激光具有很高的频率（约1013~1015Hz）可供利用的频带很宽，故传递信息的容量大。再有，光具有极短的波长和极快的传递速度，加上光波的独立传播特性，可以借助光学系统，把一个面上的二维信息以很高的分辨率瞬间传递到另一个面上，为二维并行光学信息处理提供条件。所以激光是传递信息（包括语言、文字、图象、符号等）的一种很理想的光源。要用激光作为信息的载体，就必须解决如何将信息加到激光上的问题，例如激光电话，就需要将语言信息加在于激光，由激光“携带”信息通过一定的传输通道（大气、光纤等）送到接收器，再由光接收器鉴别并还原成原来的信息，从而完成通话的目的。这种将信息加载于激光的过程称之为调制，完成这一过程的装置成为调制器。其中激光成为载波，起控制作用的低频信息称为调制信号。激光光波的电场强度是ec=Accos(ωct+фc)，式中，Ac为振幅，ωc为角频率，фc为相位角。既然激光具有振幅、频率、相位、强度、偏振等参量，如果能够利用某种物理方法改变光波的某一参量，使其按调制信号的规律变化，那么激光就受到了信号的调制，达到“运载”信息的目的。实现激光调制的方法很多，根据调制器和激光器的相对关系，可以分为内调制和外调制两种。内调制是指加载调制信号是在激光振荡过程中进行的，即以调制信号去改变激光器的振荡参数，从而改变激光输出特性以实现调制。例如，注入式半导体激光器是用调制信号直接改变它的泵浦驱动电流，使输出的激光强度受到调制（这种方式也称为直接调制）。还有一种内调制方式是在激光谐振腔内放置调制元件，用调制信号控制元件的物理特性的变化，以改变谐振腔的参数，从而改变激光器输出特性。内调制主要用在光通信的注入式半导体光源中。外调制是指激光形成之后，在激光器外的电路上放置调制器，用调制信号改变调制器的物理特性，当激光通过调制器时，就会使光波的某参量受到调制。由于外调制的调整方便，而且对激光器没有影响，同时外调制方式不受半导体器件工作速率的限制，故它比内调制的调制速率高（约高一个数量级），调制带宽要宽得多，所以在未来的高速率、大容量的光通信激光信息处理应用中，更受人们的重视。激光调制技术为光通信、光信息处理等应用提供了很好的信息载波源，随着各种调制技术的发展，特别是近十几年来，国内外对空间光调制器的研究和发展，大大推动了光通信、实时光信息处理、光计算、光存储等应用技术的迅猛发展。（二）声光调制的物理基础1，弹光效应若有一超声波通过某种均匀介质，介质材料在外力作用下发生形变，分子间因相互作用力发生改变而产生相对位移，将引起介质内部密度的起伏或周期性变化，密度大的地方折射率大，密度小的地方折射率小，即介质折射率发生周期性改变。这种由于外力作用而引起折射率变化的现象称为弹光效应。弹光效应存在于一切物态。弹光效应可以用于描述光电效应类似的方法描述，即表示为KLijklijSpn21(2.1)式中21ijn表示介质的逆介电张量的增量，KLS为应变张量，ijklP为弹光系数量。(2.1)式中只考虑了弹光效应的线性项而忽略了高次项。这是因为弹光效应的高次项较之线性项(klS正常为510量级)为更小的量。考虑到应变张量klS和介质电张量的增量21ijn皆为对称张量，(2.1)式可简化为nijmspn21（m,n=1，2，…，6）(2.2)于是可将(2.1)式写成如下矩阵形式654321666564636261565554535251464544434241363534333231262524232221161514131211262524232221111111SSSSSSppppppppppppppppppppppppppppppppppppnnnnnn(2.3)当介质存在应变力时，其折射率椭球方程为11122jiijijxxnn(2.4)弹光系数张量pij的36个分量的取值及各分量之间的关系和介质的结构对称性有关。下面以铌酸锂(LiNbO3)为例。铌酸锂晶体属于三方晶系，3m晶类。其弹光系数矩阵为ijp=11121314121113131333414144444114111200000000000000010000()2pppppppppppppppppp(2.5)假设有平行于x轴方向的单向张应变力作用于晶体，并设由此产生的应变量为s1。在应力作用下，折射率椭球发生了变化。根据三方晶系的弹光系数矩阵可写出262524232221111111nnnnnn)(210000000000000000000121141414444414133131313111214131211pppppppppppppppppp000001s(2.6)由此得出0111111111126251142024113202311220221112021nnspnnspnnspnnspnn(2.7)则(2.4)式可变为222121113124113222000111()()()1psxpsxpsxnnn(2.8)进一步来说，对于不同晶类中的不同晶体，由于它们的pij值各不相同。因此在不同的应变条件下所产生的弹光效应的大小也不完全相同。对铌酸锂晶体，波长λs=0.633μm，p11=－0.026，p12=0.090，p13=0.133，p14=－0.075，p33=0.071，p41=－0.151，p44=0.145。代入(2.7)式便可求得各方向上的折射率。2，声光栅如上所述，当声波通过介质传播时，介质就会产生和声波信号相应的、随时间和空间周期性变化的。这部分受扰动的介质等效为一个“相位光栅”。其光栅常数就是声波波长λs，这种光栅称为超声光栅。声波在介质中传播时，有行波和驻波两种形式。特点是行波形成的超声光栅的栅面在空间是移动的，而驻波场形成的超声光栅栅面是驻立不动的。当超声波传播到声光晶体时，它由一端传向另一端。到达另一端时，如果遇到吸声物质，超声波将被吸声物质吸收，而在声光晶体中形成行波。由于机械波的压缩和伸长作用，则在声光晶体中形成行波式的疏密相间的构造，也就是行波形式的光栅。当超声波传播到声光晶体时，它由一端传向另一端。如果遇见反声物质，超声波将被反声物质反射，在返回途中和入射波叠加而在声光晶体中形成驻波。由于机械波压缩伸长作用，在声光晶体中形成驻波形式的疏密相同的构造，也就是驻波形式的光栅。首先考虑行波的情况，设平面纵声波在介质中沿x方向传播，声波扰动介质中的质点位移可写成xktuusscos01(2.9)μ0是质点振动的振幅，ωs是声波频率，ks是声波波矢量的模。相应的应变场是xktkuxuSssssin01(2.10)对各向同性介质，折射率分布为xktnntxnsssin,(2.11)声行波在某一瞬间是对介质的作用情况如图2.1所示。图中密集区（黑）表示介质受到压缩，密度增大，相应的折射率也增大；稀疏区（白）表示介质密度变小，折射率减小。介质折射率n增大或减小呈现交替变化，变化的周期是声波周期，同时又以声速ssskv向前传播。图2.1声行波形成的超声光栅对于驻波的情况，考虑两个相向传播的同频声行波的叠加，质点位移可以写成)sin()cos(201txkuuss(2.12)而介质折射率为)sin()sin(,txknntxnss(2.13)图2.2声驻波形成的超声光栅因驻波效应(2.13)式中的n应是(2.11)式的2倍。图2.1给出了声驻波情况下介质折射率的变化情况，其中在图中的曲线t+Ts/4和t+3Ts/4表示左、右行波。从图中可见，声波在一个周期Ts之内，介质呈现两层疏密层结构，在波节处介质密度保持不变，因而在波腹处折射率每隔半个周期Ts/2就变化一次。这样，作为超声光栅，它将交替出现和消失，其交替变化的频率为原驻波周期的二倍，即2ωs。3，声光效应声光效应是指光波在介质中传播时，被超声波场衍射或散射的现象。由于声波是一种弹性波，声波在介质中传播会产生弹性应力或应变，这种现象称为弹光效应。介质弹性形变导致介质密度交替变化，从而引起介质折射率的周期变化，并形成折射率光栅。当光波在介质中传播时，就会发生衍射现象，衍射光的强度、频率和方向等将随着超生场的变化而变化。声光调制就是基于这种效应来实现其光调制及光偏转的。下面我们由量子的角度来分析声光衍射效应。由物质的波粒二象性原理可将频率为，波矢为k的光束看作动量为ћk，能量为ћω的光子流，将声频为Ω，波矢为ks的声束看作动量为ћk，能量为ћΩ的声子流。光在声波面中的衍射可看作光子和声子的碰撞，每一次碰撞中消失（或产生）一个入射光子和一个声子，同时产生一个衍射光子。衍射光子的频率为ω±Ω，波矢方向为k＇。根据碰撞前后能量守恒原理，应有s(kk)'k即skk'k(2.14)根据能量守恒，应有()'或'(2.15)(2.15)式表明衍射光频率要改变，至于取“+”号或“－”号，则取决于k和ks的相对方向。即在光子和声子的碰撞中消失的光子和声子所产生，其能量必然大于消失的光子，其频率ω'ω，公式中取正号。若碰撞中由一个入射光子的消失，同时产生一个声子和一个衍射光子则衍射光子的能量必然减小，其频率ω'ω，公式取负号。由动量守恒条件(2.14)式可导出布拉格方程。由于光波频率ω远远高于声波频率Ω，可认为kk','所以由图2.3的波矢三角形直接导出2sinsBkk(2.16)图2.3用动量守恒推导布拉格条件4，声光衍射分类根据声波频率的高低和声光作用的超声场长度的大小的不同，声光效应可以分为拉曼－奈斯声光(Ram-Nath)衍射和布拉格(Bragg)衍射两种。（1）区分拉曼－奈斯衍射和布拉格衍射的定量标准：从理论上说，拉曼－奈斯衍射和布拉格衍射是在改变声光衍射参数时出现的两种极端情况。影响出现两种衍射情况的主要参数是声波长、光束入射角1及声光作用距离L。为了给出区分两种衍射的定量标准，特引入参数G来表征22/cos2/cossisiGkLkL(2.17)当L小且λs大(G1)时，为拉曼－奈斯衍射；而当L大且λs小(G1)时，为布拉格衍射。为了寻求一个实用标准，即当G参数大到一定值后，除0级和+1级外，其他各级