《声光调制的原理及应用》

声光调制的原理及应用物理科学学院光子学中心030145彭灏序言激光具有极好的时间相干性和空间相干性，它与无线电波相似，易于调制，且光波的频率极高，能传递信息的容量很大。加之激光束发散角小，光能高度集中，既能传输较远距离，又易于保密。因而为光信息传递提供了一种理想的光源。我们把欲传输的信息加载于激光副射的过程称为激光调制光调制分为内调制和外调制两类外调制是指加载调制信号在激光形成以后进行的，即调制器置于激光谐振腔外，在调制器上加调制信号电压，使调制器的某些物理特性发生相的变化，当激光通过它时即得到调制。所以外调制不是改变激光器参数，而是改变已经输出的激光的参数（强度、频率等）。什么是声光调制声波是一种纵向机械应力波（弹性波）。若把这种应力波作用到声光介质中时会引起介质密度呈疏密周期性变化，使介质的折射率也发生相应的周期性变化，这样声光介质在超声场的作用下，就变成了一个等效的相位光栅，如果激光作用在该光栅上，就会产生衍射。衍射光的强度、频率和方向将随超声场而变化。所谓“声光调制器”就是利用这一原理而实现光束调制或偏转的。声光调制的原理1超声波在声光介质中的作用2声光作用①喇曼－奈斯衍射②布喇格衍射3声光调制器1超声波在声光介质中的作用声波在介质中传播分为行波和驻波两种形式行波所形成的声光栅其栅面是在空间移动的。介质折射率的增大和减小是交替变化的，并且以超声波的速度Vs向前推进在声光介质中，两列相向而行的超声波（其波长、相位和振幅均相同）产生叠加，在空间将形成超声驻波。声驻波形成的声光栅在空间是固定的，其相位变化与时间成正弦关系合成声波方程为：a(z,t)=a1(z,t)+a2(z,t)=2Acos2πz/λs·sin2πt/Ts介质中折射率的变化如图1所示，声波在一个周期T内，介质将两次出现疏密层，且在波节处密度保持不变，因而折射率每隔半个周期（T/2）在波腹处变化一次，即由极大值变为极小值，或由极小值变为极大值，在两次变化的某一瞬间介质各部分折射率相同，相当于一个不受超声场作用的均匀介质。若超声频率（即加在调制器上的信号频率）为fs时，则声光栅出现或消失的次数为2fs，因而调制光的频率为2fs（为超声频率的二倍）。图12声光作用按照超声波频率和声光介质厚度的不同，将声光作用可以分为两种类型，即喇曼－奈斯衍射和布喇格衍射。①喇曼－奈斯衍射在超声波频率较低，且声光介质的厚度L又比较小的情况下，当激光垂直于超声场的传播方向入射到声光介质中时，将产生明显的喇曼－奈斯声光衍射现象，如图2所示。在这种情况下，超声光栅类似于平面光栅，当光通过时，将产生多级衍射，而且各级衍射的极大值对称分布在零级条纹的两侧，其强度依次递减。图2图3设超声波波长为λs，波矢量Ks指向x正方向，而入射光波矢量Ki指向y轴正方向，两者呈正交（如图3所示）。当应变较小时，并暂时略去时间t的依赖关系，则折射率随空间位置x的变化关系为：n(x)=n0-ΔnsinKsx由于介质的折射率发生周期性变化，所以会对入射光束的相位进行调制。出射的光波已不再是平面波，其等相面是一个由n(x)决定的皱折曲面。其各级极大值的衍射角θ应满足公式：λssinθ=±mλ式中λs为超声波波长；λ为入射光波长。其各级衍射的光强值为：Im=Jm2(v)v=2π/λΔnL上式中Jm2(v)为m阶贝塞尔函数；v表示由于折射率变化Δn而引起的被调制光束的相位变化。②布喇格衍射当超声波频率较高，且声光介质较厚时，入射光线以一定角度（θi）入射，则产生布喇格声光衍射（如图4所示）。布喇格声光衍射的衍射光不是对称分布的，当光以某一特定角度入射时，较高阶衍射可以忽略，只出现零级和＋1级或－1级（视入射光方向而定）衍射光。若能合理选择参数，超声波足够强，可使入射光能量较集中地转移到零级和＋1级（或－1级）衍射极大值上。因而光束能量可以得到充分的利用，获得较高的效率。图4当光束以入射角θi射入声光介质中时，由镜面产生反射，而衍射光干涉，极大值应满足条件：Δ=mλ(m=0、±1、±2……）。2λssinθB＝λ式中θB称为布喇格角。只有入射角θi满足上式的入射光波，才能在θi＝θd方向上得到衍射极大值。这个式子通常称为布喇格衍射公式。可以证明，当入射光强为Ii时。布喇格衍射的零级与1级的衍射光强可分别表示为：I0=Iicos2v/2I1=Iisin2v/2式中v=2π/λΔnL是光波穿过厚度为L的超声场所产生的相位延迟。3声光调制器声光调制器是由声光介质、电声换能器、吸声（或反射）装置及驱动电源等组成。而作为声光调制器来说，无论属于哪种类型（喇曼－奈斯型衍射或布喇格型衍射），调制器都有两种工作方式，一种是将零级光束作为输出；另一种是将1级衍射光束作为输出。当声波振幅随着调制信号改变时，各级衍射光的强度也将随之发生相应变化。若将某一级衍射光和为输出，利用光阑将其它衍射级遮拦，则从光阑孔出射的光束就是调制光。所以，如果用频率为f的信号电压加在电声换能器上，由此在声光介质中形成超声场的频率为fs，当光波通过该调制器时，将产生一个频率为2fs的调制光。声光调制的应用气体激光，特别是氩离子激光，由于离子跃迁的特殊性，频域参量几乎完全随即变化，表现为各模式幅度的剧烈起伏和随机消失，给锁模技术带来一定困难，采用调制作用较强的铌酸锂石英，声光调制系统，能够实现氩离子激光锁模，获得亚毫微秒超短激光脉冲。这种锁模氩离子激光已用于同步泵浦环形染料激光器。声光锁模器实质上是频率非常稳定的超声驻波与激光束相互作用的一种声光调制器。如果声光锁模器的调制频率与激光腔的纵模频率间隔完全相等，这样激光腔的各个纵横便受到周期性的调制并保持相同的相位。经过不断耦合，激光器的输出就是一系列脉宽极窄的规则脉冲序列。声光调制的发展随着激光技术的发展，声光调制的应用越来越多的拓展到各个行业当中。预（光）刻伺服磁道技术的研究，利用激光微斑记录特性使磁盘存储器的道密度得到大幅提高，而在预（光）刻伺服录写装置中，一个重要的任务就是对激光束进行光强调制集光脉冲调制。而通常采用的既是声光调制。激光印刷机中，激光束的偏转调制器就是应用声光调制布拉格衍射原理实现的。利用高频驱动电路可以产生高频电振荡，通过超声转换能器形成超声波，通过快速控制超声波，实现声光器件调制激光束的目的。在军事上，它也有广泛应用。例如一种新式探测器：雷达波谱分析器。空军飞行员可以利用它分析射到飞机上的雷达信号来判断飞机是否被敌方跟踪。外来的雷达信号与本机内半导体激光器产生的振荡信号经混频、放大后，驱动声光调制器，产生超声波，当外来信号变化时，超声波长也变化，衍射光的角度也变化，反映在二极管列阵上，我们可以很容易的识别敌方雷达信号。参考文献《现代物理知识（声光调制原理及应用）》曹跃祖《Ar离子激光声光调制锁模》曹德明黄忠德《预（光）刻伺服录写装置中基于计算机控制的激光声光调制系统》贾连兴黄上游张江陵周建业