激光技術(shù)-第二講直接調(diào)制聲光調(diào)制第四章激光調(diào)制與偏轉(zhuǎn)技術(shù)磁光調(diào)制一、聲光效應(yīng)定義：當光在建立起超聲場的介質(zhì)中傳播時，由于光彈效應(yīng)，光被介質(zhì)中的超聲波衍射或散射的現(xiàn)象。

產(chǎn)生聲光效應(yīng)的條件：

1)在介質(zhì)中必須存在超聲場。

2)光彈效應(yīng)：當介質(zhì)中有超聲波傳播時，由于超聲波是彈性波，在介質(zhì)中就產(chǎn)生了隨時間和空間周期變化的彈性應(yīng)變，因而介質(zhì)中各點的折射率就會隨著該點上的彈性應(yīng)變而發(fā)生相應(yīng)的改變。折射率的改變影響了光的傳播特性。

超聲波-彈性波-彈性應(yīng)力-彈性應(yīng)變--光的傳播特性變化第三節(jié)聲光調(diào)制4.3.1聲光調(diào)制的物理基礎(chǔ)二、超聲波的傳播形式1.行波：沿x方向傳播深色部分：壓縮，密度增大，n增大淺色部分：拉伸，密度減小，n減小介質(zhì)折射率的增大和減小交替變化，并以聲速vs向前推進。對于光波而言，“聲光柵”可認為靜止聲波方程（質(zhì)點的瞬時位移）介質(zhì)折射率的變化行波時的介質(zhì)折射率彈光系數(shù)應(yīng)變參考：徐階平，聲光器件的原理、設(shè)計和應(yīng)用，科學(xué)出版社，19822.駐波：由傳播方向相反的兩束聲波疊加而成聲柱波方程（質(zhì)點的瞬時位移）介質(zhì)折射率的變化1.拉曼－納斯衍射

條件：(1)超聲波頻率比較低。(2)光線平行于聲波面入射和聲波傳播方向垂直入射。(3)聲光互作用長度L較短

聲速比光速小的多,聲波場的介質(zhì)厚度L比較小，相當于一個平面相位光柵。超聲波的頻率比較低，光柵間距大。當平行光通過光柵時，產(chǎn)生多級衍射4.3.2聲光互作用的兩種類型

按照超聲波的頻率以及聲光互相作用的長度不同，聲光互作用分成兩種類型，拉曼－納斯衍射和布拉格衍射。

超聲波為沿x方向傳播、寬度為L的平面縱波，光沿y方向傳播。行波折射率變化：

把聲行波近似視為不隨時間變化的超聲場，折射率變化可簡化為在聲光介質(zhì)的前表面y=-L/2處，入射光波為：在y=L/2處，等相位面為n(x)決定的折皺曲面，出射光波為：出射的光受到相位調(diào)制，調(diào)制結(jié)果是光產(chǎn)生多級衍射光，根據(jù)菲涅耳-基爾霍夫積分公式則在很遠的屏上某點p給出的光振幅為： 式中:q—光束的寬度，exp(-ikir)—表示光傳到p點相位的變化，r

y。略去對時間的依賴關(guān)系，對坐標x積分略去常數(shù)項C 式中:r0—超聲介質(zhì)中心到p點的距離，

—r0和y軸之間的夾角根據(jù)歐拉公式和貝塞爾函數(shù)，積分得到：從上式可以看出：a.拉曼－納斯衍射產(chǎn)生多級衍射光強：上式中每一項（貝塞爾函數(shù)的系數(shù)）都是形式。衍射光強取極大值的條件為：

m取離散值，對稱分布b.第m級衍射光強大小為由于：故各級衍射光對稱地分布在零級衍射光兩側(cè)，且同級次衍射光的強度相等。此外：由于光波與聲波場的作用，各級衍射光將產(chǎn)生多普勒頻移，根據(jù)能量守恒原理,（根據(jù)聲光衍射的粒子模型理解）2.布拉格衍射

(1)條件：a.聲波的頻率fS較高。b.聲光相互作用長度L較大－光柵變成三維空間相位光柵。c.入射光不是垂直入射，而是與聲波波面有一定角度。光通過介質(zhì)時，相當于通過多個光柵，只產(chǎn)生0級或1級光，即產(chǎn)生布拉格衍射。若能合理選擇參數(shù)，超聲場足夠強，可使入射光能量幾乎全部轉(zhuǎn)移到1級衍射極值上，獲得很高的效率。簡化條件：把聲波看成許多相距為

S的鏡面。這些鏡面部分反射，部分透射。在光通過介質(zhì)的時間內(nèi)，可以近似認為聲波波面是靜止的。分兩種情況討論a.光線入射到同一鏡面的反射情況。兩束光的干涉情況 設(shè)BC＝x,AC－BD是兩衍射光的光程差,(2)布拉格方程的推導(dǎo)：

x值并不是固定的，即當x是任意值時，上式都應(yīng)成立 只有 則－入射角和衍射角相等。b.光線入射在任意兩個聲波相位波面上入射光入射到兩個不同的鏡面上產(chǎn)生衍射。其兩束光的光程差EF＋EG為光波波長的整數(shù)倍

即考慮到即

B稱為布拉格角，上式稱為布拉格方程，只有入射角

i等于布拉格角

B時，在聲波面上衍射的光波才滿足相干加強條件，得到衍射極值例：①水中的布拉格衍射，波長0.5m，fS=500MHz，布拉格角

B為3.4°；②熔融石英的布拉格衍射，波長1.064m，fS=40MHz，布拉格角為0.43°(3)衍射光強分析根據(jù)推導(dǎo)，當入射光強為Ii時，布拉格衍射的零級和一級衍射光強的表示式分別寫成（參考：徐階平，聲光器件的原理、設(shè)計和應(yīng)用）其中，即根據(jù)超聲功率超聲截面長度（聲光晶體厚度）超聲截面寬度超聲強度或聲光介質(zhì)的物理參數(shù)組合稱為聲光材料的品質(zhì)因數(shù)，是選擇聲光介質(zhì)的主要指標之一。討論：①PS一定，選擇M2大的材料，衍射光強增大；②當PS足夠大，I1/Ii→100%；③通過控制PS，實現(xiàn)聲光調(diào)制(4)布拉格聲光衍射的粒子模型根據(jù)量子力學(xué)理論，光束可以看成是能量為，動量為的光子流；同樣，聲波也可以看成能量為，動量為的聲子流。聲光互作用可以看作是光子和聲子的一系列碰撞，每次碰撞導(dǎo)致一個入射光子（

i）和一個聲子（

S）的湮滅，同時產(chǎn)生一個新（衍射）光子（

d）。動量守恒：能量守恒：式中，“+”表示吸收聲子，“-”號表示放出聲子由圖直接導(dǎo)出：(5)區(qū)分拉曼-納斯衍射和布拉格衍射的定量標準影響出現(xiàn)兩種衍射情況的主要參數(shù)是聲波長

S、光束入射角

i及聲光作用距離L。特引入?yún)?shù)G

通過實踐，現(xiàn)已普遍采用下列定量標準為方便應(yīng)用，又引入?yún)⒘慷繕藴士梢詫憺椋簠⒖迹盒祀A平，聲光器件的原理、設(shè)計和應(yīng)用，科學(xué)出版社，19824.3.3聲光體調(diào)制器1、聲光體調(diào)制器的組成

聲光體調(diào)制器是由聲光介質(zhì)、電-聲換能器、吸聲（或反射）裝置及驅(qū)動電源所組成。（1）電—聲換能器：是把電能轉(zhuǎn)變?yōu)槌暡ǖ难b置。原理：利用一些晶體（石英、LiNbO3等）或者壓電半導(dǎo)體（CdS：ZnO）的逆壓電反應(yīng)。（2）聲光介質(zhì)超聲波在此介質(zhì)中傳播，光通過此介質(zhì)產(chǎn)生衍射，合理的選擇聲光材料很重要，常用材料包括重火石玻璃、熔融石英。（3）吸聲器（或反射器）在行波結(jié)構(gòu)中加吸聲器吸收傳播來的聲波，使之不反射。在駐波結(jié)構(gòu)中加反射器反射傳播來的聲波，以便形成駐波。（4）驅(qū)動電源產(chǎn)生調(diào)制電信號施加于電聲-換能器的兩端電極上，驅(qū)動聲光調(diào)制器（換能器）工作。吸聲器換能器聲光介質(zhì)2、聲光調(diào)制的工作原理

調(diào)制信號加到換能器上，使聲波的振幅受到調(diào)制,進而產(chǎn)生光強度調(diào)制。布拉格衍射效率：布拉格衍射效率與超聲功率是非線性調(diào)制曲線形式，為了使調(diào)制不反生畸變，則需加超聲偏置，使其工作在線性較好的區(qū)域。拉曼-納斯衍射只限于低頻工作，帶寬窄。3、調(diào)制帶寬

調(diào)制帶寬是衡量能否無畸變的傳輸信息的一個技術(shù)指標。對于布拉格聲光調(diào)制器，對一定入射角和波長的光波，只有一個確定頻率和波矢的聲波才能滿足布拉格條件。當采用有限的發(fā)散光束和聲波場時，波束的有限角將會擴散，因此只允許在一個有限的聲頻范圍內(nèi)才能產(chǎn)生布拉格衍射。由布拉格衍射方程得到允許的聲頻帶寬：調(diào)制帶寬與聲波穿過光束的渡越時間成反比，為避免0級和1級衍射光的重疊，最大的調(diào)制頻率應(yīng)小于聲頻率的一半。4、聲光調(diào)制器的衍射效率（自學(xué)）

理解M1、M3的物理含義。4.3.4聲光波導(dǎo)調(diào)制器（自學(xué)）

特點：聲光介質(zhì)為平面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，換能器為叉指結(jié)構(gòu)。4.3.5聲光偏轉(zhuǎn)

聲光效應(yīng)的另一個重要用途是用來使光束偏轉(zhuǎn)。其結(jié)構(gòu)與聲光調(diào)制器基本相同，不同之處在于改變聲波頻率，使衍射光偏轉(zhuǎn)角改變。布拉格角：衍射光與入射光的夾角：2、聲光偏轉(zhuǎn)器的主要性能參量①可分辨點，決定偏轉(zhuǎn)器的容量；②偏轉(zhuǎn)時間，決定偏轉(zhuǎn)器的速度；③衍射效率可分辨點：偏轉(zhuǎn)角光束發(fā)散角為超聲波渡越時間，記為

，也就是偏轉(zhuǎn)器的偏轉(zhuǎn)時間。稱為聲光偏轉(zhuǎn)器的容量-速度積。根據(jù)推算，設(shè)計布拉格聲光偏轉(zhuǎn)器帶寬的基本關(guān)系式：

一、磁光效應(yīng)：

包括法拉弟旋轉(zhuǎn)效應(yīng)、克爾效應(yīng)和磁雙折射效應(yīng)，其中最主要的是法拉弟旋轉(zhuǎn)效應(yīng)。利用有些晶體材料（如YIG釔鐵石榴石）等在外加磁場作用下，可使通過它的線偏光的偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的角度與沿光束方向的磁場強度H及晶體的通光長度成正比。

式中—磁光系數(shù)，也稱韋爾代常數(shù)，—晶體的通光長度，——磁場強度。第四節(jié)磁光調(diào)制

利用調(diào)制信號控制磁場強度的變化，可以使光的偏振面發(fā)生相應(yīng)的變化，光通過檢偏器時，實現(xiàn)了光的調(diào)制。二、磁光調(diào)制為獲得線性調(diào)制，在垂直于光傳播方向上加一恒定磁場，使晶體飽和磁化。高頻信號電流通過線圈感生出平行于光傳播方向的磁場，入射光通過晶體時，偏振面發(fā)生相應(yīng)的變化。磁致旋光效應(yīng)的旋轉(zhuǎn)方向僅與磁場方向相關(guān)，而與光線傳播方向的正逆無關(guān)，這是磁致旋光和自然旋光的不同之處。三、法拉弟隔離器應(yīng)用：①在光通信系統(tǒng)中，用于隔離光源與后續(xù)信號處理單元。②在級聯(lián)激光放大器系統(tǒng)，用于各放大級之間的隔離。第五節(jié)直接調(diào)制

直接調(diào)制是把信息轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏餍盘栕⑷氚雽?dǎo)體光源（激光二極管LD或半導(dǎo)體發(fā)光二極管LED），從而獲得已調(diào)制信號，又稱為內(nèi)調(diào)制?？煞譃槟M調(diào)制和數(shù)字調(diào)制。4.5.1半導(dǎo)體激光器（LD）直接調(diào)制的原理

LD是將電子轉(zhuǎn)換為相干光子的器件。半導(dǎo)體激光器存在閾值電流It，在閾值以下，LD不發(fā)光或只發(fā)熒光；在閾值以上，譜線寬度、輻射方向顯著變窄，強度呈線性增長。1.為獲得線性調(diào)制，必須在加調(diào)制信號電流的同時加一適當?shù)钠秒娏鱅b，使輸出信號光不失真。3.偏置電流通常選在It附近，此時調(diào)制速率較高。偏置電流選得太大，會使激光器的消光比變壞。2.要實現(xiàn)無畸變調(diào)制，最基本的要求是輸出功率與閾值以上的電流呈良好的線性關(guān)系。4.由于半導(dǎo)體激光器調(diào)制帶寬的限制，在高頻調(diào)制下應(yīng)采用量子阱激光器或外調(diào)制。4.5.2半導(dǎo)體發(fā)光二極管（LED）的調(diào)制特性

LED不是閾值器件。優(yōu)點：其P-I特性曲線的線性比較好。缺點：調(diào)制速率低（只能達到100Mb/s）新應(yīng)用：LED智能照明在實際應(yīng)用中，應(yīng)綜合考慮線性度和調(diào)制信號幅度，合理選擇m值。光源器件本身的線性特性是決定模擬調(diào)制好壞的主要因素，在線性度要求較高的應(yīng)用中，應(yīng)進行非線性補償。4.5.3半導(dǎo)體光源的模擬調(diào)制

使用LD或LED做光源，都需要施加偏置電流，使其工作點處于P-I曲線的直線段。調(diào)制線性好壞與調(diào)制深度m有關(guān)：4.5.4半導(dǎo)體光源的數(shù)字調(diào)制

數(shù)字調(diào)制必須對信號進行抽樣，量化“編碼”變成矩形脈沖。目前數(shù)字通信發(fā)展很快，因為：①它比模擬調(diào)制抗干擾能力強；②對數(shù)字光通信設(shè)備的線性要求不高，可充分利用LD的輸出功率；③數(shù)字通信設(shè)備便于和脈沖編碼調(diào)制（PCM）電話、PCM數(shù)字彩色電視、電子計算機終端相連接，從而組成既能傳輸電話、彩色電視，又能傳輸計算機數(shù)據(jù)的多媒體綜合通信系統(tǒng)。本章小結(jié)：振幅調(diào)制、頻率調(diào)制、相位調(diào)制、強度調(diào)制、脈沖調(diào)制等概