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1、复习相关知识,声波在介质中传播时，使介质产生弹性形变，引起介质的密度呈疏密相间的交替分布，因此，介质的折射率也随着发生相应的周期性变化。这如同一个光学“相位光栅”，光栅常数等于声波长s。当光波通过此介质时，会产生光的衍射。衍射光的强度、频率、方向等都随着超声场的变化而变化。,声光晶体等价于一个相位光栅,拉曼-纳斯衍射,产生拉曼-纳斯衍射的条件：当超声波频率较低，光波平行于声波面入射，声光互作用长度L较短时，在光波通过介质的时间内，折射率的变化可以忽略不计，则声光介质可近似看作为相对静止的“平面相位栅”。,拉曼-纳斯衍射的特点 ：由出射波阵面上各子波源发出的次波将发生相干作用，形成与入射方向对称
2、分布的多级衍射光。,各级衍射的方位角为（最大值的位置） ：,各级衍射光的强度为：,衍射效率为：,布喇格衍射,产生布喇格衍射条件：声波频率较高，声光作用长度L较大，光束与声波波面间以一定的角度斜入射，介质具有“体光栅”的性质。,布喇格衍射的特点：衍射光各高级次衍射光将互相抵消，只出现0级和+1级（或1级）衍射光 。,衍射效率为：,M2为声光材料的品质因数，Ps超声功率；H为换能器的宽度，L为换能器的长度。同样的改变超声功率，也可以达到改变一级衍射光的强度。,一. 声光调制器的工作原理,声光调制是利用声光效应将信息加载于光频载波上的一种物理过程。 调制信号是以电信号(调辐)形式作用于电-声换能器上
3、，电-声换能器将相应的电信号转化为变化的超声场，当光波通过声光介质时，由于声光作用，使光载波受到调制而成为“携带”信息的强度调制波。,3.3 声光调制(Acousto-optical Modulate),声光体调制器是由声光介质、电声换能器、吸声(或反射)装置及驱动电源等所组成。,(1)声光介质，声光介质是声光互作用的场所。当一束光通过变化的超声场时，由于光和超声场的互作用，其出射光就具有随时间而变化的各级衍射光，利用衍射光的强度随超声波强度的变化而变化的性质，就可以制成光强度调制器。,声光体调制器的组成,(2)电声换能器(又称超声发生器),(3)吸声(或反射)装置(放置在超声源的对面)。,(
4、4)驱动电源 它用以产生调制电信号施加于电声换能器的两端电极上，驱动声光调制器(换能器)工作。,声光调制是利用声光效应将信息加载于光频载波上的一种物理过程。调制信号是以电信号(调辐)形式作用于电声换能器上而转化为以电信号形式变化的超声场，当光波通过声光介质时，由于声光作用，使光载波受到调制而成为“携带”信息的强度调制波。,由前面分析可知，无论是拉曼纳斯衍射，还是布拉格衍射，其衍射效率均与附加相位延迟因子2nL有关，而其中声致折射率差n正比于弹性应变幅值S，而S声功率Ps，故当声波场受到信号的调制使声波振幅随之变化，则衍射光强也将随之做相应的变化。,(1)、拉曼-纳斯型声光调制器,调制器的工作原
5、理如图1(a) 所示，工作声源频率低于10MHz。只限于低频工作，带宽较小。,对于拉曼纳斯型衍射，工作声频率低于10MHz，图(a)示出了这种调制器的工作原理，其各级衍射光强比例于 。若取某一级衍射光作为输出，可利用光栏将其他级的衍射光遮挡，则从光栏孔出射的光束就是一个随变化的调制光。由于拉曼纳斯型衍射效率低，光能利用率也低，根据前面判据式,所确定的相互作用长度L小；当工作频率较高时，最大允许长度太小，要求的声功率很高，因此拉曼纳斯型声光调制器只限于低频工作，只具有有限的带宽。,(2)、布喇格型声光调制器,布喇格型声光调制器工作原理如图2所示。,布拉格声光调制特性曲线与电光强度调制相似。由图可
6、以看出：衍射效率与超声功率Ps只是非线性调制曲线形式，为了使调制不发生畸变，则需加超声偏置（类似于电光调制中的偏压V /4 =V/2 ），使其工作在线性较好的区域。,对于布拉格型衍射，其衍射效率由前面的式给出。布拉格型声光调制器工作原理如(b)所示。在声功率Ps (或声强Is )较小的情况下，衍射效率s 随声强度Is单调地增加(呈线性关系)；,式中的cosB因子是考虑了布拉格角对声光作用的影响。由式可见，若对声强加以调制，衍射光强也就受到调制了。布拉格衍射必须使入射光束以布拉格角B入射，同时在相对于声波阵面对称方向接收衍射光束时，才能得到满意的结果。布拉格衍射由于效率高，且调制带宽较宽，故多被
7、采用。,二. 调制带宽,调制带宽是声光调制器的一个重要参量，它是衡量能否无畸变地传输信息的一个重要指标，它受布喇格带宽的限制。,对于给定入射角和波长的光波，只有一个确定的频率和波矢的声波才能满足布拉格条件。当采用有限的发散光束和声波场时，波束的有限角将会扩展，因此，在一个有限的声频范围内才能产生布拉格衍射。,允许的声频带宽与布喇格角的可能变化量之间的关系为 ：,设入射光束的发散角为i，声波束的发散角为，对于衍射受限制的波束，这些波束发散角与波长和束宽的关系分别近似为,w0：入射光束束腰半径；n：为介质的折射率；D：声束宽度。,调制带宽,由上述可知：声光调制器的带宽与声波穿国光束的度越时间（w0
8、/v0）成反比，即与光束的直径成反比。用宽度小的光束可以得到较大的带宽。但光束发散角不能太大，否则，0级和1级衍射会有部分重叠，降低调制的效果。,即最大的调制带宽 近似等于声频率fs的一半。因此，大的调制带宽要采用高频布喇格衍射才能得到。,三. 声光调制器的衍射效率,声光调制器的另一重要参量是衍射效率。要得到100的调制所需要的声强度为,所需的声功率,可见，声光材料的品质因数M2越大，欲获得100%的衍射效率所需要的声功率越小。而且电声换能器的截面应做得长（L大）而窄（H小）。,f0：声中心频率， 为表征声光材料的调制带宽特性的品质因数。M1值越大，声光材料制成的调制器所允许的调制带宽越大。,
9、四. 声束和光束的匹配,为了充分利用声能和光能，认为声光调制器比较合理的情况是工作于声束和光束的发散角比，,对于声光调制器，为了提高衍射光的消光比，希望衍射光尽量与0级光分开，要求衍射光中心和0级光中心之间的夹角大于 ，即大于 。 由于衍射光和0级光之间的夹角（即偏转角）等于,可分离条件为 :,d0：为高斯光束腰部直径，为声束穿越光束的度越时间。,五. 声束和光束的匹配,声光布喇格衍射型波导调制器结构示意图如图4所示。相对于声波波前以B 入射的波导光波穿过输出棱镜时，得到与入射光束成2B 角的1级衍射光。其光强为, ：在电场作用下导波光通过长度为L距离的相位延迟；B是一比例系数，它取决于波导的有效折射率neff等因素。,上式表明，衍射光强I1随电压V的变化而变化，从而可实现对波导光的调制。,i,d,ks,入射光,衍射光,L,声表面波,电声换能器,波导层,y切割LiNbO3衬底,图4 声光波喇格波导调制器,