激光技术第一章2.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,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。,1,3,声光调制,吸声装置,Laser in,Laser out,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。,声波是一种弹性波,(,纵向应力波,),，在介质中传播时，它使介质产生相应的弹性形变，从而激起介质中各质点沿声波的传播方向振动，引起介质的密度呈疏密相间的交替变化，因此，介质的折射率也随着发生相应的周期性变化。,吸声装置,Laser in,Laser out,超声场作用的这部分如同一个光学的“相位光栅”，该光栅间距,(,光栅常数,),等于声波波长,s,。,当光波通过此介质时，就会产生光的衍射。其衍射光的强度、频率、方向等都随着超声场的变化而变化。,声波在介质中传播分为行波和驻波两种形式。图,1.31,所示为某一瞬间超声行波的情况，其中深色部分表示介质受到压缩，密度增大，相应的折射率也增大，而白色部分表示介质密度减小，对应的折射率也减小。在行波声场作用下，介质折射率的增大或减小交替变化，并以声速,s,(,一般为,n,大,n 小,10,3,m,s,量级,),向前推进。由于声速仅为光速,(10,8,m),的数十万分之,，所以对光波来说，运动的“声光栅”可以看作是静止的。设声波的角频率为,s,，,波矢为,k,s,（,2,/,s,),，,则,此处 ,n=-(1/2)n,o,3,PS,，,（,1.3-3),式中，,S,为,超声波引起介质产生的应变，,P,为材料的弹光系数,(,激光器件与技术教程的附录,),。,式中,a,为介质质点的瞬时位移，,A,为质点位移的幅度。可,近似地认为，介质折射率的变化正比于介质质点沿,x,方向位移的变化率,，即,声波的方程为,考虑到宏观量，验证后得知，行波时的折射率,1.3.3,声驻波是由波长、振幅和相位相同，传播方向相反的两束声波叠加而成的，如图,1.3-2,所示。其声驻波方程为,上式说明，声驻波的振幅为,2Acos(2x/,s,),，,它在,x,方向上各点不同，但相位,2t/T,s,在各点均相同。同时，由上式还可看出，在,x,n,s,/2,或,2n,s,/4 (n=0,1,2,),各点上，驻波的振幅为极大,(,等于,2A),，,这些点称为波腹，波腹间的距离为,s,2,。在,x,(2n+1),s,4,的各点上，驻波的振幅为零，这些点称为波节，波节之间的距离也是,s,2,。,(1.3-4),图,1.3-2,超声驻波,x,ns,/2,x,(2n+1),s,4,反射装置,Laser in,Laser out,由于声驻波的波腹和波节在介质中的位置是固定的，因此它形成的光栅在空间也是固定的。声驻波形成的折射率变化,(,正比于介质质点沿,x,方向位移的变化率,对上式求导并令,n=-4A/,s,),(1.3-5),声驻波在一个周期内，介质两次出现疏密层，且在波节处密度保持不变，因而折射率每隔半个周期,(T,s,2),就在波腹处变化一次，由极大,(,或极小,),变为极小,(,或极大,),。在两次变化的某一瞬间，介质各部分的折射率相同，相当于一个没有声场作用的均匀介质。若超声频率为,f,s,，,那么光栅出现和消失的次数则为,2,f,s,，,因而光波通过该介质后所得到的调制光的调制频率将为声频率的两倍。,按照声波频率的高低以及声波和光波作用长度的不同，声光互作用可以分为拉曼,纳斯,(Raman,Nath,),衍射和布拉格,(Bragg),衍射两种类型。,二、声光相互作用的两种类型,当超声波,频率较低,，光波平行于声波面入射,(,即,垂直于声场传播方向,),，声光互作用长度,L,较短,时，产生拉曼,纳斯衍射。,当超声波,频率较低,，光波平行于声波面入射,(,即,垂直于声场传播方向,),，声光互作用长度,L,较短,时，产生拉曼,纳斯衍射。由于声速比光速小很多，故声光介质可视为一个静止的平面相位光栅。而且声波长,s,比光波长,大得多，当光波平行通过介质时，几乎不通过声波面，因此只受到相位调制，即通过光学稠密,(,折射率大,),部分的,1,拉曼,-,纳斯衍射,光波波阵面将推迟，而通过光学疏松,(,折射串小,),部分的光波波阵面将超前，于是通过声光介质的平面波波阵面出现凸凹现象，变成一个折皱曲面，如图,1.3-3,所示。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分布的多级衍射光，这就是拉曼,纳斯衍射。,？,下面对光波的衍射方向及光强的分布进行简要分析。,1,),sin(,),sin(,2,),(,0,3,x,k,t,n,x,k,t,PS,n,t,x,n,s,s,s,s,-,D,=,-,-,=,D,w,w,1.3-6,2,1,0,3,PS,n,n,-,=,D,：,注意,设声光介质中的声波是一个宽度为,L,沿着,x,方向传播的平面纵波,(,声柱,),，波长为,s,(,角频率,s,),，,波矢量,k,s,指向,x,轴，入射光波矢量,k,i,指向,y,轴方向，如图,1.3-4,所示。声波在介质引起的弹性应变场可表示为,根据前面的,(1.3-3),式，则有,E,in,=A exp(i,c,t),(1.3-9),则在,y,L,2,处出射的光波不再是单色平面波，而是一个被调制了的光波，其等相面是由函数,n,(,x,),决定的折皱曲面，其光场可写成,(1.3-10),当把声行波近似视为不随时间变化的超声场时，可略去对时间的依赖关系，这样沿,x,方向的折射率分布可简化为,n(x,t)=n,o,+,n sin(,s,t-k,s,x),(1.3-7),n(x,t)=n,o,+,n sin (,k,s,x),(1.3-8),式中,n,o,为平均折射率；,n,为声致折射率变化。由于介质折射率发生了周期性的变化，所以会对入射光波的相位进行调制。如果考察的是一平面光波垂直入射的情况，它在声光介质的前表面,y,-L,2,处入射，入射光波为,该出射波阵面可分成若干个子波源，则在很远的,P,点处总的衍射,(1.3-12),式中，,l,sin,(,因观察角度不同引起的附加相位延迟,),表示衍射方向的正弦,;,q,为入射光束宽度。将,(,n,)k,i,L,2,(,n,)L,代入上式,(,是因折射率不同引起的附加相位延迟,),，并利用欧拉公式展开成下面形式：,(1.311),光场强是所有子波源贡献的求和，即由下列积分决定：,利用关系式：,+,式中，,J,r,(,),是,r,阶贝塞尔函数。将此式代入,(1.3-12),式，经积分得到实部的表示式为,(,因为,k=2/),(1.3-15),（,1.3-13),而（,1.3-12),式的虚部的积分为零。由上式可以看出，衍射光场强各项取极大值的条件为,l,k,i,土,m,k,s,0 (m,整数,0)(1.3-14),当,角和声波波矢,k,s,确定后，其中某一项为极大时，其他项的贡献几乎等于零，因而当,m,取不同值时，不同,角方向的衍射光取极大值。,(1.3-14),式则确定了各级衍射的方位角,综述以上分析，拉曼,纳斯声光衍射的结果，使光波在远场分成一组衍射光，它们分别对应于确定的衍射角,m,(,即传播方向,),和衍射强度，,其中衍射角由,(1.315),式决定；而衍射光强由,(1.316),式决定，,因此这一组衍射光是离散型的。由于,，,故各级衍射光对称地分布在零级衍射光两侧，且同级次衍射光的强度相等。这是拉曼,纳斯衍射的主要持征之一。另外，由于,3,2,1,0,-1,-2,-3,(1.3-15),(1.316),式中，,m,表示衍射光的级次。各级衍射光的强度为,表明无吸收时衍射光各级极值光强之和应等于入射光强，即光功率是守恒的。,由于光波与声波场的相互作用，各级衍射光波将产生多普勒频移，根据能量守恒原理，应有,i,土,m,s,(1.3-17),而且各级衍射光强将受到角频率为,2,s,的调制。但由于超声波频率为,10,9,Hz,，,而光波频率高达,10,14,Hz,量级，故频移的影响可忽略不计。,当声波,频率较高,，声光作用长度,L,较大,，,而且光束与声波波面间,以一定的角度斜入射,时，光波在介质中要穿过多个声波面，故介质具有“体光栅”的性质。当,入射光与声波面间夹角满足一定条件,时，介质内各级衍射光会相互干涉，各高级次衍射光将互相抵消，只出现,0,级和,+l,级,(,或,-1,级,)(,视入射光的方向而定,),衍射光，即产生布拉格衍射,(,类似于闪耀光栅），如图,1.3-5,所示。因此，若能合理选择参数，超声场足够强，可使入射光能量几乎全部转移到,+1,级,(,或,-1,级,),衍射极值上。因而光束能量可以得到充分利用，因此，利用布拉格衍射效应制成的声光器件可以获得较高的效率。,2.,布拉格（,Bragg),衍射,(1),各向同性介质中的正常布拉格衍射。,下面从波的干涉加强条件来推导,布拉格方程,。为此，可把声波通过的介质近似看作许多相距为,s,的部分反射、部分透射的镜面。,对于行波超声场，这些镜面将以速度,v,s,沿,x,方向移动。因为,s,c,，,所以在某一瞬间，超声场可近似看成是静止的，因而对衍射光的强度分布没有影响,。对驻波超声场则完全是不动的，,如图,1.36,所示。当平面波,l,2,和,3,以角度,i,入射至声波场，在,B,，,C,，,E,各点处部分反射，产生衍射光,1,，,2,，,3,。,各衍射光相干增强的条件是它们之间的光程差应为其波长的整倍数,(,确保同相位,),。图,1.36(a),表示在同一镜面上的衍射情况入射光,l,和,2,在,B,，,C,点反射的,1,和,2,同相位的条件，必须使光程差,ACBD,等于光波波长的整倍数，即,x,c,(cos,i,-,cos,d,),m,/n,(1.318),i,d,x,c,要使声波面上所有点同时满足这一条件，只有使,i,=,d,(1.319),即入射角等于衍射角时才能实现。,对于相距,s,的两个不同镜面上的衍射情况，如图,1.36(b),所示，由,C,，,E,点反射的,2,，,3,光束具有同相位的条件，其光程差,FE,十,EG,必须等于光波波长的整数倍，即,s,(sin,i,+sin,d,),m,/n,(1.320),（,不是书上的余弦,）考虑到,i,=,d,，,所以,i,d,2,s,sin,B,/n,或者,sin,B,/(,2,n,s,)=,f,s,/(,2,n,v,s,),(1.3-21),式中,i,=,d,=,B,称为布拉格角,。可见，只有入射角,i,等于布拉格角,B,时，在声波面上衍射的光波才具有同相位，满足相干加强的条件，得到衍射极值，,上式称为布拉格方程,。,下面简要分析布拉格衍射光强度与声光材料特性和声场强度的关系。,根据推证,，当入射光强为,I,i,时，布拉格声光衍射的,0,级和,1,级衍射光强的表达式可分别写成,已知,是光波穿过长度为,L,的超声场所产生的附加相位延迟,。,可用声致折射率的变化,n,来表示,(,前面提过,),即,2,n,L,则,(1.323),式中，是声光介质的物理参数组合，是由介质本身性质决定的量，称为声光材料的,品质因数,(,或声光优质指标,),，它是选择声光介质的主要指标之一。从,(1.3-27),式可见：,(a),若在超声功率,P,s,一定的情况下，欲使衍射光强尽量大，则要求选择,M,2,大的材料，并且把换能器做成长而窄,(,即,L,大,H,小,),的形式；,(b),当超声功率,P,s,足够大，使 达到 时，,I,1,/I,i,=100%,；,(c),当,P,s,改变时，,I,1,/I,i,也随之改变，因而通过控制,P,s,，,(,即控制加在电声换能器上的电功率,),就可以达到控制衍射光强的目的，实现声光调制。,图,1.3-12,声光调制特性曲线,P,s,1/2,f,m,(I,s,),I,d,(f,m,),上面是从光波的相干叠加来说明布拉格声光互作用原理的。也可以从光和声的量子特性得出声光布拉格衍射条件。光束可以看成是能量为,i,，,动量为,k,i,的光子,(,粒子,),流，其中,i,和,k,i,为光波的角频率和波矢。同样,声波也可以看成是能量为,s,、,动量为,k,s,的声子流，声光互作用可以看成光子和声子的一系列碰撞，每一次碰撞导致一个入射光子（,i,）,和一个声子,(,s,),的湮没，同时产生一个频率为,d,=,i,+,s,的新,(,衍射,),光子。根据碰撞前后,动量守恒原理,，应有,k,i,土,k,s,k,d,(2),布拉格声光衍射的粒子模型,。,即,k,i,土,k,s,k,d,（,1.3-28,）,同样，根据能量定恒，应有,i,土,s,d,即,i,土,s,d,（,1.3-29,）,式中，“十”表示吸收声子；“一”表示放出声子。它取决于光子和声子碰撞时,k,i,和,k,s,的相对方向，即衍射光子是由碰撞中消失的光子和吸收声子所产生，公式中取“十”号，其频率为,d,=,i,+,s,；,苦碰撞中由,个入射光子的消失，同时产生一个声子和衍射光子，则公式中取“一”号，其频率为,d,=,i,-,s,。,由于光波频率（,i,）,远远高于声波频率,(,s,),，,故由,(1.3-29),式可近似地认为,d,i,土,s,i,(1.3-30),因此,k,d,=,k,i,（,1.3-31),图,1.3-7,正常布拉格衍射波矢,d,i,k,d,k,i,k,s,于是有,这就是前面所得到的布拉格方程。,故布拉格衍射的波矢图为一等腰三角形，如图,1.3-7,所示。由图可直接导出,(1.3-32),从理论上说，拉曼,-,纳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,s,、,光束入射角,i,及声光作用距离,L,。,3.,区分拉曼,-,纳斯衍射布拉格衍射的定量标准,为了给出区分两种衍射的定量标准，特引入参数,G,来表征，即,(1.338),当,L,小且,s,大,(G1),时，为布拉格衍射,。为了寻求一个实用的标准，即当,G,参数大到一定值后，除,0,级和,1,级外，其他各级衍射光的强度都很小，可以忽略不计。达到这种情况时即可认为已进入布拉格衍射区。经过多年的实践，现已普遍采用下列定量标准：,(1.339),声光互作用可看成参量互作用的过程，即首先由于声场的扰动，引起介质电极化率在时间和空间上的周期变化，而使入射光波和介质中超声波耦合而产生了一系列具有复合频率的极化波。由耦合波理论可以推得，在各向同性介质中入射光场,E,i,和衍射光场,E,d,满足布拉格条件的耦合波方程为：,1.3-54,当入射光振辐为及,E,i,(0),、,频率为,i,时，,E,d,(0),0,，,上面方程变为,4,布拉格衍射的理论分析,耦合波理论,（一般了解）,1.3-55,并有,上式说明两种光波在声光相互作用的过程中光功率是守恒的。由前面的耦合系数 ，并考虑,x,i,=,x,d,=L/,cos,B,则定义一个新量：,其入射光强和衍射光强随,的变化如图,1.310,所示。声光衍射效率定义为输出衍射光强与输入光强之比，即,(1.3-57),因此，以光强表示,(1,355),式，可写成,1.3-58,由,(1.357),式可见，当,/2,/,2,时,I,i,0,，而,I,d,I,i,(0),，,即入射光的全部能量将转移到衍射光束中去，即理想的布拉格衍射效率可达到,100,，故在声光器件中多采用布拉格衍射效应。,I,i,I,d,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，如图,1.311,所示。,(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。,图,1.3-11,声光调制器结构,吸声装置,Laser in,Laser out,三、声光体调制器,1,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),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。,2,声光调制的工作原理,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,2,n,L,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,P,s,，,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。,图,1.3-12,声光调制特性曲线,P,s,1/2,f,m,(I,s,),I,d,(f,m,),布拉格声光调制特性曲线与电光强度调制相似，如图,1.312,所示。由图可以看出：衍射效率,与超声功率,P,s,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。,对于拉曼,纳斯型衍射，工作声频率低于,10MHz,，图,1.313(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,(1.338),式,图,1.3-13,声光调制特性曲线,(a),拉曼,-,纳斯型，,(b),布拉格型,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。,#,对于布拉格型衍射，其衍射效率由前面的,(1.358),式给出。布拉格型声光调制器工作原理如图,1.313(b),所示。在声功率,P,s,(,或声强,I,s,),较小的情况下，衍射效率,s,随声强度,I,s,单调地增加,(,呈线性关系,),；,图,1.3-13,声光调制特性曲线,(a),拉曼,-,纳斯型，,(b),布拉格型,式中的,cos,B,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，故多被采用。,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技术指标，它受到布拉格带宽的限制。,对于布拉格型声光调制器而言在理想的平面光波和声波情况下，波矢量是确定的，因此对一给定入射角和波长的光波，只能有一个确定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，只允许在一个有限的声频范围内才能产生布拉格衍射。根据布拉格衍射方程,(1.3-21),式，得到允许的声频带宽,f,s,与布拉格角的可能变化量,B,之间的关系为,sin,B,/(,2,n,s,)=,f,s,/(,2,n,v,s,),3.,调制带宽,(1.3-60),式中，,B,是由于光束和声束的发散所引起的入射角和衍射角的变化量，也就是布拉格角允许的变化量。,声光效应的另一个重要用途是用来使光束偏转。声光偏转器的结构与布拉格声光调制器基本相同，所不同之处在于声光调制器是改变衍射光的强度，而声光偏转器则是利用改变声波频率来改变衍射光的方向，使之发生偏转，既可以使光束连续偏转，也可以是分离的光点扫描偏转。,四、声光偏转,从前面的声光布拉格衍射理论分析可知，光束以,i,角入射介质产生衍射极值应满足布拉格条件：,1,声光偏转原理,布拉格角一般很小，可写为,（,1.3-71),由上式可以看出,：,改变超声波的频率,f,s,，,就可以改变其偏转角,，,从而达到控制光束传播方向的目的。即超声频率改变,f,s,引起光束偏转角,(,求导数）的变化为,这可用图,1.316,及声光波矢关系予以说明。设声波频率为,f,s,时,声光衍射满足布拉格条件，则声光波矢因为闭合等腰三角形,(AOB),(1.3-73),故衍射光与入射光间的夹角,(,偏转角,),等于布拉格角,B,的,2,倍，即,(1.3-72),i,i,因为,和,角都很小，因而可近似认为,=,k,s,/,k,d,=,f,s,/(n,s,),(,而不是书上的,k,s,/,k,s,),所以偏转角与声频的改变成正比。,B,衍射极值沿着与超声波面成,d,角的方向。若声波频率变为,f,s,十,f,s,时，则根据,k,s,2,f,s,/,s,的关系，声波波矢量将有,k,s,2 ,f,s,/,s,的变化。由于入射角,i,不变,衍射光波矢大小也不变,则声光波矢图不再闭合。光束将沿着,OB,方向衍射,相应的光束偏转为,。,五、声光调制器设计应考虑的事项,根据声光调制器的工作过程，首先是由电,声换能器把电振荡转换成超声振动，再通过换能器和声光介质间的粘合层把振动传到介质中形成超声波，因此必须考虑如何能有效地把驱动电源所提供的电功率转换成声光介质中的超声波功率。其次，在声光介质中，通过声光互作用，超声波将引起入射光束的布拉格衍射而得到衍射光，因此必须考虑如何提高其衍射效率，考虑能够在多大频率范围内无失真地进行调制。也就是怎样设计才能在较大的频率范围内提供方向合适的超声波，使入射光方向和超声波波面间的夹角,i,在该频率范围内均能满足布拉格条件，亦即怎样设计才能提高其布拉格,带宽。本节就是根据声光调制器的要求对声光介质材料的选择和电,声换能器的设计等问题进行一定的分析。,介质材料的性能对调制器的质量有直接的影响，因此合理选择声光材料是很重要的设计时主要应考虑以下几方面的因素：,(1),应使调制器的调制效率高，而需要的声功率尽量小,。,调制器的调制效率是用调制后的光强,(,即衍射光强,),与入射光强的比值表征的，即,其中,M,2,，即,M,2,（）,品质因数越大,越大，因而调制效率就高。在选择声光材料时，在综合考虑材料的物理、化学性能的条件下，应选用,M,2,值大的材料。,(2),应使调制器有较大的调制带宽,。,我们己知，布拉格条件是,sin,B,/(2,s,),，,显然，当光波和声波波长变化时，将引起布拉格角的变化。实际上，光波具有一定的频谱宽度，当调制器在宽的频带范围内工作时，声频相对于中心频率的偏离，就要引起衍射角偏离布拉格角，当超过一定值时，将使调制器的工状态不满足布拉格条件，因而,1,级衍射光强变小。将,1,级衍射光强下降到相对于在中心频率时的衍射光强的一半所对应的频率变化,f,s,定义为布拉格带宽。根据推证，近似有,，故声光材料的,nv,s,2,(,即,M,1,nv,s,2,M,2,),越大，其布拉格带宽就越宽，故为了调制器能有较宽的带宽，,应选品质因数,M,1,值大的材料,。,2,电,声换能器,电,声换能器的作用是将电功率转变为声功率，以便在声光介质中建立起超声场。一般都是利用某种材料的反压电效应，在外加电场作用下产生机械振动，所以它既是一个机械振动系统，又是一个与外加调制电源有联系的电振荡系统。在这里主要分折电,声换能器的工作机理、电持性及机械振动和电振荡回路的匹配等问题。,3,声束和光束的匹配,由于入射光束具有一定宽度，并且声波在介质中是以有限的速度传播的，因此声波穿过光束需要一定的渡越时间。光束的强度变化对于声波强度变化的响应就不可能是瞬时的。为了缩短其渡越时间以提高其响应速度，调制器工作时用透镜将光束聚集在声光介质中心，光束成为极细的高斯光束，从而减小其渡越时间。事实上，,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,1 (,，,i,：,光束发射角，,：,声束发射角），这是因为声束发散角大于光束发散角时，其边缘的超声能量就浪费了；反之，如果光发散角大于声发散角，则边缘光线因为已没有方向合适的,(,即满足布拉格条件的,),超声而不能被衍射。所以在设计声光调制器时，应比较精确地确定二者的比值。一般的光束发散角,i,s,d,0,。,式中,d,0,为聚焦在声光介质中的高斯光束腰部直径，超声波束发散角,s,L,。,式中,L,为换能器长度，于是得到比值,(1.3-88),根据实验证明，,调制器在,1.5,时性能最好。,磁光效应是磁光调制的物理基础。当,光波通过这种磁化的物体,(,磁性物质）时,，,其传播特性发生变化,，这种现象,称为磁光效应,。,磁光效应包括,法拉第旋转,效应、,克尔,效应、,磁双折射,效应,等。其中最主要的是,法拉第旋转效应,，它使一束线偏振光在外加磁场作用下的介质中传播时，其偏振方向发生旋转，其旋转角度,的大小与沿光束方向的磁场强,H,和光在介质中传播的长度,L,之积成正比，即,VHL,(1.4-1),式中，,V,称为韦尔代,(,verdet,),常数，它表示在单位磁场强度下线偏振光通过单位长度的磁光介质后偏振方向旋转的角度。表,1.4-l,列出了一些磁光材料的韦尔代常数。,1.4,磁光调制,对于旋光现象的物理原因，可解释为外加磁场使介质分子的磁矩定向排列，,当一束线偏振光通过它时，分解为两个频率相同、初相位相同的两个圆偏振光,，其中,一个圆偏振光,的电矢量是顺时针方向旋转，称为,右旋圆偏振光,，而,另一个,圆偏振光是逆时针方向旋转的，称为,左旋圆偏振光。,这两个圆偏振光无相互作用地以两种略有不同的速度,+,c/n,R,和,-,c/n,L,传播，它们通过厚度为,L,的介质之后产生的相位延迟分别为,:,所以两圆偏振光间存在一相位差,当它们通过介质之后，又合成为一线偏振光，其偏振方向相对于入射光旋转了一个角度。图,1.4-1,中,zA,表示入射介质的线偏振光的振动方向，将振幅,A,分解为左旋和右旋两矢量,A,L,和,A,R,，,假设介质的长度,L,使右旋矢量,A,R,刚转回到原来的位置，此时左旋光矢量,(,由于,v,L,v,R,),转到,A,L,，,于是合成的线偏振光,A,相对于入射光的偏振方向转了一个角度,，,此值等于,角的,一半，即,=/2,（,n,R,n,L,）,L/,(1.4-3),可以看出，,A,的偏振方向将随着光波的传播,向右旋转。这称为右旋光效应。,A,L,A,R,A,L,z,A,A,(1.4-2),磁致旋光效应的旋转方向仅与磁场方向有关，而与光线传播方向的正逆无关，这是磁致旋光现象与晶体的,自然旋光现象,不同之处,(,即当光束往返通过自然旋光物质时，因旋转角相等方向相反而相互抵消,),。但通过磁光介质时，只要磁场方向不变，旋转角都朝一个方向增加，此现象表明,磁致旋光效应是一个不可逆的光学过程,，因而可利用来制成光学隔离器或单通光闸等器件。,磁光调制是把欲传递的信息转换成光载波的强度,(,振幅,),等参量随时间的变化，与电光调制、声光调制所不同的是，磁光调制是电信号先转换成与之对应的交变磁场，由磁光效应改变在介质中传输的光波的偏振态，从而达到改变光强度等参量的目的,。磁光体调制器的组成如图,1.4-2,所示。,二、磁光体调制器,工作物质钇铁石榴石,(YIG,或掺,Ga,的,YIG,棒,),放在沿轴方向,z,的光路上，它的两端放置有起、检偏器，高频螺旋形线圈环绕在,YIG,棒上，受驱动电源的控制，用以提高平行于,z,轴的信号磁场。为了获得线性调制，在垂直于光传播的方向上加一恒定磁场,H,dc,，,其强度足以使晶体饱和磁化。当工作时，高频信号电流通过线圈就会感生出平行于光传播方向的磁场，入射光通过,YIG,晶体时，由于法拉第旋转效应，其偏振面发生旋转，旋转角与磁场强度,H,成正比。,z,因此，只要用调制信号控制磁场强度的变化，就会使光的偏振面发生相应的变化。但这里因加有恒定磁场,H,dc,，,且与通光方向垂直，故旋转角与,H,dc,成反比，于是,式中，,s,单位长度饱和法拉弟旋转角；,H,0,sin,H,t,是调制磁场。,L,0,为介质长度。如果再通过检偏，就可以获得一定强度变化的调制光。,1.5,直接调制,直接调制是把要传递的信息转变为电流信号注入半导体光源,(,激光二极管,LD,或半导体二极管,LED),，,从而获得已调制信号。,由于它是在光源内部进行的,，因此又称为,内调制,，它是目前光纤通信系统普通使用的实用化调制方法。根据调制信号的类型，直接调制又可以分为（连续的）,模拟调制,和,数字（脉冲编码）调制,两种。,半导体激光器是电子与光子相互作用并进行能量直接转换的器件。图,1.5-1,示出了砷镓铝双异质结注入式半导体激光器的输出光功率与驱动电流的关系曲线。半导体激光器有一个阈值电流,I,t,，,发射激光的强弱直接与驱动电流的大小有关。若把调制信号加到激光器,(,电源,),上，即可以直接改变,(,调制,),激光器输出光信号的强度。,一、半导体激光器,(LD),直接调制的原理,图,1.5-3,所示的是半导体激光器调制原理的示意图，图,(a),所示是电原理示意图，图,(b),所示是输出光功率与调制信号的关系曲线。为了获得线性调制，使工作点处于输出特性曲线的直线部分，必须在加调制信号电流的同时,加一适当的偏置电流,I,b,，,这样就可以使输出的光信号不失真。,1.5-3,半导体激光器调制,（,a),电原理图；,（,b),调制特性曲线,1.6,空间光调制器,y,x,前面所介绍的各种调制器是对一束光的“整体”进行作用，而且,对与光传播方向相垂直的,xy,平面上的每一点其效果是相同,的。空间光调制器,可以形成随,xy,坐标变化的振幅,(,或强度,),透过率,A,(,x,y,),A,0,T,(,x,y,),或者是形成随坐标变化的相位分布,A,(,x,y,),A,0,Texp,i,(,x,y,),或者是形成随坐标变化的不同的散射状态。顾名思义，这是一种对光波的空间分布进行调制的器件。它的英文名称是,Spatial Light Modulator(SLM),。,空间光调制器含有许多独立单元，它们在空间排列成一维或二维阵列，每个单元都可以独立地接受光信号或电信号的控制，并按此信号改变自身的光学性质,(,透过率、反射率、折射率,等,),，从而对通过它的光波进行调制；控制这些单元光学性质的信号称为“写入信号”，写入信号可以是光信号也可以是电信号，射入器件并被调制的光波称为“读出光”；经过空间光调制器后的输出光波称为“输出光”。实时的二维并行处理。,可以用于图像转换、显示、存储、滤波等。,液晶空间光调制器,作业：,1,、何谓电光、声光、磁光以及直接调制？通过比较给出各,自的优缺点。,2,、什么是空间光调制器,有些物质不是直接由固态变为液态，而是经过一个过渡相态，这时，它一方面具有液体的流动性质，同时又有晶体的特性,(,如光学、力学、热学的各向异性,),，,这种过渡相态称之为“液晶”。,液晶是一种有机化合物，一般由棒状柱形对称的分子构成，具有很强的电偶极矩和容易极化的化学团。对这种物质施加外场,(,电、热、磁等,),，液晶分子的排列方向和液晶分子的流动位置就会发生变化，即改变液晶的物理状态。如对液晶施加电场，它的光学性质就发生变化，这就是液晶的电光效应。,