1、聲光調制的原理及應用030145 1序言激光具有極好的時間相干性和空間相干性，它與無線電波相似，易于調制，且光波的頻率極高，能傳遞信息的容量很大。加之激光束發散角小，光能高度集中，既能傳輸較遠距離，又易于保密。因而為光信息傳遞提供了一種理想的光源。我們把欲傳輸的信息加載于激光副射的過程稱為激光調制光調制分為內調制和外調制兩類外調制是指加載調制信號在激光形成以后進行的，即調制器置于激光諧振腔外，在調制器上加調制信號電壓，使調制器的某些物理特性發生相的變化，當激光通過它時即得到調制。所以外調制不是改變激光器參數，而是改變已經輸出的激光的參數（強度、頻率等）。 2什么是聲光調制聲波是一種縱向機械應力

2、波（彈性波）。若把這種應力波作用到聲光介質中時會引起介質密度呈疏密周期性變化，使介質的折射率也發生相應的周期性變化，這樣聲光介質在超聲場的作用下，就變成了一個等效的相位光柵，如果激光作用在該光柵上，就會產生衍射。衍射光的強度、頻率和方向將隨超聲場而變化。所謂“聲光調制器”就是利用這一原理而實現光束調制或偏轉的。3聲光調制的原理1 超聲波在聲光介質中的作用2 聲光作用喇曼奈斯衍射布喇格衍射3 聲光調制器41 超聲波在聲光介質中的作用 聲波在介質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的。介質折射率的增大和減小是交替變化的，并且以超聲波的速度Vs向前推進在聲光介質中，兩列相

3、向而行的超聲波（其波長、相位和振幅均相同）產生疊加，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，其相位變化與時間成正弦關系合成聲波方程為：a(z,t)=a1(z,t)+a2(z,t)=2Acos2z/ssin2t/Ts5介質中折射率的變化如圖1所示，聲波在一個周期T內，介質將兩次出現疏密層，且在波節處密度保持不變，因而折射率每隔半個周期（T/2）在波腹處變化一次，即由極大值變為極小值，或由極小值變為極大值，在兩次變化的某一瞬間介質各部分折射率相同，相當于一個不受超聲場作用的均勻介質。若超聲頻率（即加在調制器上的信號頻率）為fs時，則聲光柵出現或消失的次數為2fs，因而調制光的頻率為

4、2fs（為超聲頻率的二倍）。6圖172 聲光作用 按照超聲波頻率和聲光介質厚度的不同，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。8喇曼奈斯衍射 在超聲波頻率較低，且聲光介質的厚度L又比較小的情況下，當激光垂直于超聲場的傳播方向入射到聲光介質中時，將產生明顯的喇曼奈斯聲光衍射現象，如圖2所示。在這種情況下，超聲光柵類似于平面光柵，當光通過時，將產生多級衍射，而且各級衍射的極大值對稱分布在零級條紋的兩側，其強度依次遞減。 9圖2 圖310設超聲波波長為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所示）。 當應變較小時，并暫時略去時間t的依賴關系，則

5、折射率隨空間位置x的變化關系為：n(x)=n0-nsinKsx由于介質的折射率發生周期性變化，所以會對入射光束的相位進行調制。出射的光波已不再是平面波，其等相面是一個由n(x)決定的皺折曲面。其各級極大值的衍射角應滿足公式：ssin=m式中s為超聲波波長；為入射光波長。其各級衍射的光強值為：Im=Jm2(v)v=2/nL上式中Jm2(v)為m階貝塞爾函數；v表示由于折射率變化n而引起的被調制光束的相位變化。11布喇格衍射 當超聲波頻率較高，且聲光介質較厚時，入射光線以一定角度（i）入射，則產生布喇格聲光衍射（如圖4所示）。布喇格聲光衍射的衍射光不是對稱分布的，當光以某一特定角度入射時，較高階衍

6、射可以忽略，只出現零級和1級或1級（視入射光方向而定）衍射光。若能合理選擇參數，超聲波足夠強，可使入射光能量較集中地轉移到零級和1級（或1級）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。12圖413當光束以入射角i射入聲光介質中時，由鏡面產生反射，而衍射光干涉，極大值應滿足條件： =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。這個式子通常稱為布喇格衍射公式。 可以證明，當入射光強為Ii時。布喇格衍射的零級與1級的衍射光強可分別表示為：I0=Iicos2v/2 I1=Iisin2v/2式中 v=2/nL

7、是光波穿過厚度為L的超聲場所產生的相位延遲。143 聲光調制器 聲光調制器是由聲光介質、電聲換能器、吸聲（或反射）裝置及驅動電源等組成。而作為聲光調制器來說，無論屬于哪種類型（喇曼奈斯型衍射或布喇格型衍射），調制器都有兩種工作方式，一種是將零級光束作為輸出；另一種是將1級衍射光束作為輸出。當聲波振幅隨著調制信號改變時，各級衍射光的強度也將隨之發生相應變化。若將某一級衍射光和為輸出，利用光闌將其它衍射級遮攔，則從光闌孔出射的光束就是調制光。所以，如果用頻率為f的信號電壓加在電聲換能器上，由此在聲光介質中形成超聲場的頻率為fs，當光波通過該調制器時，將產生一個頻率為2fs的調制光。15聲光調制的應

8、用16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，表現為各模式幅度的劇烈起伏和隨機消失，給鎖模技術帶來一定困難，采用調制作用較強的鈮酸鋰石英，聲光調制系統，能夠實現氬離子激光鎖模，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形染料激光器。1718聲光鎖模器實質上是頻率非常穩定的超聲駐波與激光束相互作用的一種聲光調制器。如果聲光鎖模器的調制頻率與激光腔的縱模頻率間隔完全相等，這樣激光腔的各個縱橫便受到周期性的調制并保持相同的相位。經過不斷耦合，激光器的輸出就是一系列脈寬極窄的規則脈沖序列。19聲光調制的發展隨著激光技術的發展，聲光調制的應用越來越多

9、的拓展到各個行業當中。20預（光）刻伺服磁道技術的研究，利用激光微斑記錄特性使磁盤存儲器的道密度得到大幅提高，而在預（光）刻伺服錄寫裝置中，一個重要的任務就是對激光束進行光強調制集光脈沖調制。而通常采用的既是聲光調制。激光印刷機中，激光束的偏轉調制器就是應用聲光調制布拉格衍射原理實現的。利用高頻驅動電路可以產生高頻電振蕩，通過超聲轉換能器形成超聲波，通過快速控制超聲波，實現聲光器件調制激光束的目的。21在軍事上，它也有廣泛應用。例如一種新式探測器：雷達波譜分析器。空軍飛行員可以利用它分析射到飛機上的雷達信號來判斷飛機是否被敵方跟蹤。外來的雷達信號與本機內半導體激光器產生的振蕩信號經混頻、放大后，驅動聲光調制器，產生超聲波，當外來信號變化