《声光调制的原理及应用》教学提纲.ppt

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1、声光调制的原理及应用声光调制的原理及应用序言序言 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。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制 光调制分为内调制和外调制两类外调

2、制是指加载调制信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，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）。数（强度、频率等）。什么是声光调制什么是声光调制声波是一种纵向机械应力波（弹性波）。若把这声波是一种纵向机械应力波（弹性波）。若

3、把这种应力波作用到声光介质中时会引起介质密度呈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，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。所谓和方向将随超声场而变化。所谓“声光调制器声光调制器”就就是利用这一原理而实现光束调制或偏转的。是利用这一原理而实现光束调制或偏转的。声光调制的原理声

4、光调制的原理1 1 超声波在声光介质中的作用超声波在声光介质中的作用超声波在声光介质中的作用超声波在声光介质中的作用2 2 声光作用声光作用声光作用声光作用喇曼奈斯衍射喇曼奈斯衍射喇曼奈斯衍射喇曼奈斯衍射布喇格衍布喇格衍布喇格衍布喇格衍射射射射3 3 声光调制器声光调制器声光调制器声光调制器1 超声波在声光介质中的作用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率的增大和减小是交替变化的，并且以

5、超声波的速度VsVs向前推进向前推进 在声光介质中，两列相向而行的超声波（其波长、相在声光介质中，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。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间成正弦关系 合成声波方程为：合成声波方程为：a(z,t)=a1(z,t)+a2(z,t)=2Acos2z/ssin2t/Tsa(z,t)=a1(z,t)+a2(z,t)=2Acos2z/ssin2t/Ts介质中折射率的变化如图介质中折射率的变化如图1 1所示，声波

6、在一个周所示，声波在一个周期期T T内，介质将两次出现疏密层，且在波节处密内，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（度保持不变，因而折射率每隔半个周期（T/2T/2）在波腹处变化一次，即由极大值变为极小值，或在波腹处变化一次，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。用的均匀介质。若超声频率（即加在调制器上的信号频率）为若超声频率（即加在调制器上的信号频率）为fsfs时，则声光栅出现或消失的次数为时，

7、则声光栅出现或消失的次数为2fs2fs，因而调，因而调制光的频率为制光的频率为2fs2fs（为超声频率的二倍）。（为超声频率的二倍）。图图12 声光作用声光作用 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。喇曼奈斯衍射喇曼奈斯衍射 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。图图2 图图3设超声波波长为设超声波波长为设

8、超声波波长为设超声波波长为ss，波矢量，波矢量，波矢量，波矢量KsKs指向指向指向指向x x正方向，而入射光波矢量正方向，而入射光波矢量正方向，而入射光波矢量正方向，而入射光波矢量KiKi指向指向指向指向y y轴正方向，轴正方向，轴正方向，轴正方向，两者呈正交（如图两者呈正交（如图两者呈正交（如图两者呈正交（如图3 3所示）。所示）。所示）。所示）。当应变较小时，并暂时略去时间当应变较小时，并暂时略去时间t t的依赖关系，则折射率随空间位置的依赖关系，则折射率随空间位置x x的变化关系为：的变化关系为：n(x)=n0-nsinKsxn(x)=n0-nsinKsx 由于介质的折射率发生周期性变化

9、，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，其等相面是一个由面波，其等相面是一个由n(x)n(x)决定的皱折曲面。其各级极大值的衍射角决定的皱折曲面。其各级极大值的衍射角 应满足公式：应满足公式：ssin=mssin=m 式中式中ss为超声波波长；为超声波波长；为入射光波长。为入射光波长。其各级衍射的光强值为：其各级衍射的光强值为：Im=Jm2(v)Im=Jm2(v)v=2/nLv=2/nL 上式中上式中Jm2(v)Jm2(v)为为mm阶贝塞尔函数；阶贝塞尔函数；v v表示由于折射率变化表示由

10、于折射率变化nn而引起的被调制光束的相位变化。而引起的被调制光束的相位变化。布喇格衍射布喇格衍射 当超声波频率较高，且声光介质较厚时，入射光当超声波频率较高，且声光介质较厚时，入射光线以一定角度（线以一定角度（ii）入射，则产生布喇格声光衍）入射，则产生布喇格声光衍射（如图射（如图4 4所示）。布喇格声光衍射的衍射光不所示）。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，只出现零级和高阶衍射可以忽略，只出现零级和1 1级或级或1 1级（视入射光方向而定）衍射光。若能合理选择级（视入射光方向而定）衍射光。若能合理选择

11、参数，超声波足够强，可使入射光能量较集中地参数，超声波足够强，可使入射光能量较集中地转移到零级和转移到零级和1 1级（或级（或1 1级）衍射极大值上。级）衍射极大值上。因而光束能量可以得到充分的利用，获得较高的因而光束能量可以得到充分的利用，获得较高的效率。效率。图图4 当光束以入射角当光束以入射角ii射入声光介质中时，由镜面产生反射，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：而衍射光干涉，极大值应满足条件：=m(m=0=m(m=0、11、22）。）。2ssinB2ssinB 式中式中BB称为布喇格角。称为布喇格角。只有入射角只有入射角ii满足上式的入射光波，才能在满足

12、上式的入射光波，才能在iidd方向上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。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，当入射光强为可以证明，当入射光强为Ii Ii时。布喇格衍射的零级与时。布喇格衍射的零级与1 1级级的衍射光强可分别表示为：的衍射光强可分别表示为：I0=Iicos2v/2I1=Iisin2v/2I0=Iicos2v/2I1=Iisin2v/2 式中式中v=2/nLv=2/nL是光波穿过厚度为是光波穿过厚度为L L的超声场所产生的相位延迟。的超声场所产生的相位延迟。3 声光调制器声光调制器 声光调制器是由声光介质、电声换能器、吸声（或反射）声光调制器

13、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。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，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；另一种是将一种是将零级光束作为输出；另一种是将1 1级衍射光束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，

14、则从光阑孔出射为输出，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，如果用频率为的光束就是调制光。所以，如果用频率为f f的信号电压加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在电声换能器上，由此在声光介质中形成超声场的频率为为fsfs，当光波通过该调制器时，将产生一个频率为，当光波通过该调制器时，将产生一个频率为2fs2fs的的调制光。调制光。声光调制的应用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

15、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，记录特性使磁盘存储器的道密度得到大幅提高，而

16、在预（光）刻伺服录写装置中，一个重要的任而在预（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。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。制激光束的目的。在军事上，它也有广

17、泛应用。例如一种新式探测在军事上，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，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，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。我们可以很容易的识别敌方雷达信号。参考文献参考文献 现代物理知识（声光调制原理及应用）现代物理知识（声光调制原理及应用）曹跃祖曹跃祖 ArAr离子激光声光调制锁模离子激光声光调制锁模曹德明曹德明黄忠德黄忠德 预（光）刻伺服录写装置中预（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基于计算机控制的激光声光调制系统贾连兴贾连兴黄上游黄上游张江陵张江陵周建业周建业结束结束