激光技术一.pptx

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 inLaser out第1页/共58页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。第2页/共58页 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103ms量级)向前推进。由于声速仅为光速(108m)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ks（2/s)，则第3页/共58页此处此处 n=-(1/2)no3 PS，（1.3-3)式中，式中，S为超声波引起介质产生的应变，为超声波引起介质产生的应变，P为材料的弹光为材料的弹光系数系数(激光器件与技术教程的附录激光器件与技术教程的附录)。式中式中a为介质质点的瞬时位移，为介质质点的瞬时位移，A为质点位移的幅度。可为质点位移的幅度。可近似地认为，介质折射率的变化正比于介质质点沿近似地认为，介质折射率的变化正比于介质质点沿x方向方向位移的变化率位移的变化率，即，即声波的方程为考虑到宏观量，验证后得知，行波时的折射率考虑到宏观量，验证后得知，行波时的折射率1.3.3第4页/共58页 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/Ts在各点均相同。同时，由上式还可看出，在x ns/2 或2ns/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)s4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s2。(1.3-4)图 1.3-2 超声驻波x ns/2x(2n+1)s4反射装置Laser inLaser out第5页/共58页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(正比于介质正比于介质质点沿质点沿x方向位移的变化率方向位移的变化率,对上式求导并令对上式求导并令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持不变，因而折射率每隔半个周期(Ts2)就在波腹处变化一次，就在波腹处变化一次，由极大由极大(或极小或极小)变为极小变为极小(或极大或极大)。在两次变化的某一瞬间，介质。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。若超声频率为超声频率为fs，那么光栅出现和消失的次数则为，那么光栅出现和消失的次数则为2 fs，因而光波通，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。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。第6页/共58页 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(RamanNath)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二、声光相互作用的两种类型 当超声波频频率较低率较低，光波平行于声波面入射(即垂直于声场传垂直于声场传播方向播方向)，声光互作用长度L较短较短时，产生拉曼纳斯衍射。第7页/共58页 当超声波频率较低频率较低，光波平行于声波面入射(即垂直于声垂直于声场传播方向场传播方向)，声光互作用长度L较短较短时，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拉曼拉曼-纳斯衍射纳斯衍射第8页/共58页光波波阵面将推迟，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。？第9页/共58页 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),(03xktnxktPSntxnssss-D=-=Dww1.3-621 03PSnn-=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ks 指向x轴，入射光波矢量 ki 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，则有第10页/共58页 Ein=A exp(ic t)(1.3-9)则在 yL2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)=no+n sin (k s x)(1.3-8)式中no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-L2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点处总的衍射第11页/共58页(1.3-12)式中，lsin(因观察角度不同引起的附加相位延迟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 iL 2(n)L代入上式(是是因折射率不同引起的附加相位延迟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：+第12页/共58页式中，Jr()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 ki 土 m ks0 (m整数0)(1.3-14)当角和声波波矢ks 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第13页/共58页综述以上分析，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，其中衍射角由其中衍射角由(1.315)式决定；而衍射光强由式决定；而衍射光强由(1.316)式决定，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3210-1-2-3(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。第14页/共58页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109Hz，而光波频率高达1014Hz量级，故频移的影响可忽略不计。第15页/共58页 当声波频率较高频率较高，声光作用长度L较大较大，而且光束与声波波面间以一定的角度斜入射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（布拉格（Bragg)衍射衍射(1)各向同性介质中的正常布拉格衍射。第16页/共58页 下面从波的干涉加强条件来推导布拉格方程布拉格方程。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，第17页/共58页如图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 xc(cosi-cos d)m/n (1.318)idxc第18页/共58页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id第19页/共58页 2 s sin B/n 或者 sin B /(2 n s)=f s/(2 n vs)(1.3-21)式中i=d =B,称为布拉格角称为布拉格角。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。根据推证根据推证，当入射光强为Ii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已知 是光波穿过长度为是光波穿过长度为L的超声场所产生的附加相位延迟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2nL则(1.323)第20页/共58页第21页/共58页式中，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Ps一定的情况下，欲使衍射光强尽量大，则要求选择M2大的材料，并且把换能器做成长而窄(即L大H小)的形式；(b)当超声功率当超声功率Ps足够大，使足够大，使 达到达到 时，时，I1/Ii=100%；(c)当Ps改变时，I1/Ii 也随之改变，因而通过控制Ps，(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。第22页/共58页图1.3-12 声光调制特性曲线Ps1/2fm(Is)Id(fm)第23页/共58页 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ki的光子(粒子)流，其中i和ki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 ks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 ki土 ks kd (2)布拉格声光衍射的粒子模型布拉格声光衍射的粒子模型。即 ki土kskd （1.3-28）第24页/共58页同样，根据能量定恒，应有 i土 s d 即 i土sd （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ki和ks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 kd=ki （1.3-31)第25页/共58页图 1.3-7 正常布拉格衍射波矢d i kd ki ks 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)第26页/共58页 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.区分拉曼区分拉曼-纳斯衍射布拉格衍射的定量标准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)当当L小且小且s大大(G1)时，为布拉格衍射时，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)第27页/共58页 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Ei和衍射光场Ed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Ei(0)、频率为i时，Ed(0)0，上面方程变为4布拉格衍射的理论分析布拉格衍射的理论分析耦合波理论耦合波理论（一般了解）1.3-55并有第28页/共58页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xi=xd=L/cosB,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(1355)式，可写成第29页/共58页1.3-58由(1.357)式可见，当/2/2时,Ii 0，而Id Ii(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。IiId第30页/共58页 声光体调制器是由声光介质声光介质、电电声换能器声换能器、吸声吸声(或反射或反射)装置装置及驱动电源等驱动电源等所组成，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 inLaser out三、声光体调制器三、声光体调制器1声光体调制器的组成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。第31页/共58页 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。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，其衍射效率衍射效率均与附加相位延迟因子附加相位延迟因子2nL有关，而其中声声致折射率差致折射率差n正比于弹性应变幅值弹性应变幅值S，而S声功率声功率Ps，故当声波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。相应的变化。第32页/共58页图1.3-12 声光调制特性曲线Ps1/2fm(Is)Id(fm)布拉格声光调制特性曲线与电光强度调制相似，如图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。所示。由图可以看出：衍射效率由图可以看出：衍射效率与超声功率与超声功率Ps只是非线性调制曲线形只是非线性调制曲线形式，为了使调制不发生畸变，式，为了使调制不发生畸变，则需加超声偏置则需加超声偏置（类似于电光调制（类似于电光调制中的偏压中的偏压V/4=V/2），使其工作在线性较好的区域。），使其工作在线性较好的区域。第33页/共58页 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，因此拉曼拉曼纳斯型声光调制器只限纳斯型声光调制器只限于低频工作于低频工作，只具有有限的带宽。#第34页/共58页 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)；图1.3-13 声光调制特性曲线(a)拉曼-纳斯型，(b)布拉格型第35页/共58页式中的式中的cosB因子是考虑了布拉格角对声光作用的影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，衍射光强也就响。由式可见，若对声强加以调制，衍射光强也就受到调制了。受到调制了。布拉格衍射必须使入射光束以布拉格布拉格衍射必须使入射光束以布拉格角角B入射，同时在相对于声波阵面对称方向接收衍入射，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射光束时，才能得到满意的结果。布拉格衍射由于。布拉格衍射由于效率高，且调制带宽较宽，故多被采用。效率高，且调制带宽较宽，故多被采用。第36页/共58页 调调制制带带宽宽是是声声光光调调制制器器的的一一个个重重要要参参量量，它它是是衡衡量量能能否否无无畸畸变变地地传传输输信信息息的的一一个个技技术术指指标标，它它受受到到布布拉拉格格带带宽宽的的限限制制。对对于于布布拉拉格格型型声声光光调调制制器器而而言言在在理理想想的的平平面面光光波波和和声声波波情情况况下下，波波矢矢量量是是确确定定的的，因因此此对对一一给给定定入入射射角角和和波波长长的的光光波波，只只能能有有一一个个确确定定频频率率和和波波矢矢的的声声波波才才能能满满足足布布拉拉格格条条件件。当当采采用用有有限限的的发发散散光光束束和和声声波波场场时时，波波束束的的有有限限角角将将会会扩扩展展，因因此此，只只允允许许在在一一个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，得到允许的声式，得到允许的声频带宽频带宽fs与布拉格角的可能变化量与布拉格角的可能变化量 B之间的关系为之间的关系为sin B /(2 n s)=f s/(2 n vs)3.调制带宽调制带宽(1.3-60)式中，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。变化量，也就是布拉格角允许的变化量。第37页/共58页 声光效应的另一个重要用途是用来使光束偏转。声光偏转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。偏转，也可以是分离的光点扫描偏转。四、声光偏转四、声光偏转 从前面的声光布拉格衍射理论分析可知，光束以从前面的声光布拉格衍射理论分析可知，光束以i角入射角入射介质产生衍射极值应满足布拉格条件：介质产生衍射极值应满足布拉格条件：1声光偏转原理声光偏转原理布拉格角一般很小，可写为布拉格角一般很小，可写为 （1.3-71)第38页/共58页由上式可以看出：改变超声波的频率由上式可以看出：改变超声波的频率fs，就可以改变其偏转角，就可以改变其偏转角，从而达到控制光束传播方向的目的。即超声频率改变从而达到控制光束传播方向的目的。即超声频率改变fs引起光束引起光束偏转角偏转角(求导数）的变化为求导数）的变化为 这可用图这可用图1.316及声光波矢关系予以说明。设声波频率为及声光波矢关系予以说明。设声波频率为fs时时,声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故衍射光与入射光间的夹角(偏转角偏转角)等于布拉格角等于布拉格角B的的2倍，即倍，即(1.3-72)ii第39页/共58页因为和 角都很小，因而可近似认为 =ks/kd=fs/(n s)(而不是书上的ks/ks)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fs十 fs时，则根据ks 2 fs/s的关系，声波波矢量将有ks 2 fs/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。第40页/共58页五、声光调制器设计应考虑的事项五、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第41页/共58页带宽。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 M2，即M2（）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M2 值大的材料。第42页/共58页(2)应使调制器有较大的调制带宽应使调制器有较大的调制带宽。我们己知，布拉格条件是sinB/(2s)，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fs定义为布拉格带宽。根据推证，近似有，故声光材料的nvs2(即M1 nvs2 M2)越大，其布拉格带宽就越宽，故为了调制器能有较宽的带宽，应选品质因数应选品质因数M1值大的材料值大的材料。第43页/共58页2电电声换能器声换能器 电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。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，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，第44页/共58页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作于声束和光束的发散角比 1 (，i：光束发射角，：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，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，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则边缘光线因为已没有方向合适的(即满足布拉格条件的即满足布拉格条件的)超声而超声而不能被衍射。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。一般的光束发散角的比值。一般的光束发散角i s d0。式中。式中d0为聚焦在声光为聚焦在声光介质中的高斯光束腰部直径，超声波束发散角介质中的高斯光束腰部直径，超声波束发散角 s L。式。式中中L为换能器长度，于是得到比值为换能器长度，于是得到比值 (1.3-88)根据实验证明，根据实验证明，调制器在调制器在1.5时性能最好。时性能最好。第45页/共58页 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磁性物质）时，其传播特性发生变化，这种现象称为磁光效应称为磁光效应。磁光效应包括法拉第旋转法拉第旋转效应、克尔克尔效应、磁双折射磁双折射效应等。其中最主要的是法拉第旋转效应法拉第旋转效应，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，式中，V称为韦尔代称为韦尔代(verdet)常数，它表示在单位磁场强度下线偏振常数，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列出了列出了一些磁光材料的韦尔代常数。一些磁光材料的韦尔代常数。1.4 磁光调制磁光调制第46页/共58页 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、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初相位相同的两个圆偏振光，其中一个圆偏振光一个圆偏振光的电矢量是顺时针方向旋转，称为右旋圆偏振光右旋圆偏振光，而另一个另一个圆偏振光是逆时针方向旋转的，称为左旋圆偏振光。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/nR和-c/nL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第47页/共58页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。图入射光旋转了一个角度。图1.4-1中中zA表示入射介质的线偏振光的表示入射介质的线偏振光的振动方向，将振幅振动方向，将振幅A分解为左旋和右旋两矢量分解为左旋和右旋两矢量AL和和AR，假设介质，假设介质的长度的长度L使右旋矢量使右旋矢量AR刚转回到原来的位置，此时左旋光矢量刚转回到原来的位置，此时左旋光矢量(由由于于vLvR)转到转到AL，于是合成的线偏振光，于是合成的线偏振光A相对于入射光的偏振方相对于入射光的偏振方向转了一个角度向转了一个角度，此值等于，此值等于 角的一半，即角的一半，即 =/2 （nR nL）L/(1.4-3)可以看出，可以看出，A的偏振方向将随着光波的传播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。向右旋转。这称为右旋光效应。ALARALzAA(1.4-2)第48页/共58页 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自然旋光现象不同不同之处之处(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磁致旋光效应是一个不可逆的光学过程过程，因而可利用来制成光学隔离器或单通光闸等器件。第49页/共58页 磁光调制是把欲传递的信息转换成光载波的强度磁光调制是把欲传递的信息转换成光载波的强度(振幅振幅)等参量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、磁光体调制器二、磁光体调制器第50页/共58页 工作物质钇铁石榴石工作物质钇铁石榴石(YIG或掺或掺Ga的的YIG棒棒)放在沿轴方向放在沿轴方向z的的光路上，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，用以提高平行于棒上，受驱动电源的控制，用以提高平行于z轴的信号磁场。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Hdc，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，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，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。成正比。z第51页/共58页因此，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发生相应的变化。但这里因加有恒定磁场Hdc，且与通光方向垂，且与通光方向垂直，故旋转角与直，故旋转角与Hdc成反比，于是成反比，于是式中，s 单位长度饱和法拉弟旋转角；H0sinH t是调制磁场。L0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。第52页/共58页1.5 直接调制直接调制 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。由由于它是在光源内部进行的于它是在光源内部进行的，因此又称为内调制内调制，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）模拟调制模拟调制和数字（脉冲编码）调制数字（脉冲编码）调制两种。第53页/共58页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电流 It，发射激光的强弱直接与驱动电流的大小有关。若把调，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制信号加到激光器(电源电源)上，即可以直接改变上，即可以直接改变(调制调制)激光器输出激光器输出光信号的强度。光信号的强度。一、半导体激光器一、半导体激光器(LD)直接调制的原理直接调制的原理第54页/共58页 图图1.5-3所示的是半导体激光器调制原理的示意图，图所示的是半导体激光器调制原理的示意图，图(a)所示是所示是电原理示意图，图电原理示意图，图(b)所示是输出光功率与调制信号的关系曲线。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须在加调制信号电流的同时加一适当的偏置电流加一适当的偏置电流Ib，这样就可以，这样就可以使输出的光信号不失真。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)调制特性曲线第55页/共58页1.6 空间光调制器空间光调制器 yx 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可以形成随xy坐标变化的振幅坐标变化的振幅(或强度或强度)透过率透过率 A(x,y)A0T(x,y)或者是形成随坐标变化的相位分布 A(x,y)A0Texpi(x,y)第56页/共58页 或者是形成随坐标变化的不同的散射状态。顾名思义，这是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。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、反透过率、反射率、折射率等射率、折射率等)，从而对通过它的光波进行调制；控制这些单元，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光学性质的信号称为“写入信号写入信号