光电子技术PhotoelectronicPhotoelectronic Technique Technique第八讲第八讲第八讲第八讲 声光调制声光调制声光调制声光调制周自刚周自刚周自刚周自刚 本讲主要内容本讲主要内容一一、器件结构与功能、器件结构与功能 二、工作原理二、工作原理三、性能指标三、性能指标四、波导调制器四、波导调制器 声光调制是利用声光调制是利用声光效应声光效应将信息加载于光频将信息加载于光频载波上的一种物理过程。载波上的一种物理过程。 调制信号是以电信号调制信号是以电信号(调幅调幅)形式作用于电形式作用于电-声换能器上，将相应的声换能器上，将相应的电信号电信号超声场超声场，当光波，当光波通过声光介质时，由于声光作用，使光载波受到通过声光介质时，由于声光作用，使光载波受到调制而成为调制而成为“携带携带”信息的强度调制波。信息的强度调制波。 声光体调制器：声光体调制器：声光介质声光介质、电电声换能器声换能器、耦合耦合介质介质、吸声吸声(或反射或反射)装置装置及及驱动电源驱动电源等组成。等组成。 一一、器件结构与功能、器件结构与功能 30声光调制器结构声光调制器结构吸声装置吸声装置 声光介质是声光互作用的场所。当一束光通过变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，利用就具有随时间而变化的各级衍射光，利用超声波强度超声波强度的变化的变化衍射光强衍射光强的的变化变化，可以制成光强度调制器。，可以制成光强度调制器。(1)(1)声光介质声光介质一一、器件结构与功能、器件结构与功能 29(1)(1)声光介质声光介质（1）应使调制器的衍射效率高，而需要的声功率小。）应使调制器的衍射效率高，而需要的声功率小。 衍射效率衍射效率规定输出的光强与输入光强之比，也叫规定输出的光强与输入光强之比，也叫调制效率调制效率。如对于如对于1级输出光强，在同样的输入功率下，输出光强大，级输出光强，在同样的输入功率下，输出光强大，s大。大。声光介质材料选择要求声光介质材料选择要求介质的品质因数介质的品质因数在在s一定时一定时因此，应选择大的声光材料，提高衍射（调制）效率，降低声功率。因此，应选择大的声光材料，提高衍射（调制）效率，降低声功率。一一、器件结构与功能、器件结构与功能 28(1)(1)声光介质声光介质声光介质材料选择要求声光介质材料选择要求（2）调制器有大的调制带宽）调制器有大的调制带宽布拉格条件布拉格条件 当光波和声波有发散角时，只允许在一有限的声频当光波和声波有发散角时，只允许在一有限的声频范围才产生布拉格衍射，频率带宽范围才产生布拉格衍射，频率带宽fs 与布拉格角与布拉格角B可可变量之间的关系为变量之间的关系为一一、器件结构与功能、器件结构与功能 27依据什么公式依据什么公式得到的？得到的？光光波波和声波的中心波长和声波的中心波长(1)(1)声光介质声光介质声光介质材料选择要求声光介质材料选择要求（2）调制器有大的调制带宽）调制器有大的调制带宽 调制带宽调制带宽取取1级衍射光强下降到中心频率时衍射光强的一半所对应级衍射光强下降到中心频率时衍射光强的一半所对应的频率变化，由超声波的频率变化引起。的频率变化，由超声波的频率变化引起。经验公式经验公式fs调制频率调制频率, L介质长度介质长度, vs声速。声速。引入一参数引入一参数选择选择M1大的材料使大的材料使fs大，大，才能允许才能允许fs变化范围大变化范围大一一、器件结构与功能、器件结构与功能 26(1)(1)声光介质声光介质声光介质材料选择要求声光介质材料选择要求（3）承受高的光功率密度）承受高的光功率密度目前的几种介质，目前的几种介质，M1和和M2大的材料，易于损坏。大的材料，易于损坏。（4）声的吸收系数要小，与换能器阻抗匹配，光学均匀性好。）声的吸收系数要小，与换能器阻抗匹配，光学均匀性好。 目前采用熔凝目前采用熔凝石英石英多，多，M2虽不高，但其他指标都满足此要求。虽不高，但其他指标都满足此要求。 而其他：而其他：重火石玻璃重火石玻璃 M2 ，透光好，便宜；，透光好，便宜；钼酸铅钼酸铅M2 ，但损，但损耗大，调制效率低。耗大，调制效率低。一一、器件结构与功能、器件结构与功能 25(1)(1)声光介质声光介质声光介质材料选择要求声光介质材料选择要求（5）材料尺寸的确定）材料尺寸的确定 L的确定，根据布拉格和拉曼纳斯衍射的判据的确定，根据布拉格和拉曼纳斯衍射的判据布拉格衍射：布拉格衍射：拉曼纳斯衍射：拉曼纳斯衍射：声光介质考虑：声光介质考虑：调制效率、调制带宽、光学性调制效率、调制带宽、光学性能、尺寸能、尺寸。一一、器件结构与功能、器件结构与功能 24(2)(2)电电声换能器声换能器( (又称超声发生器又称超声发生器) ) 利用某些压电晶体（石英、利用某些压电晶体（石英、LiNbO3等）或压电半导体等）或压电半导体(CdS、ZnO等）的等）的反压电效应反压电效应，在外加电场作用下产生，在外加电场作用下产生机械振动机械振动而形成超声波，而形成超声波，将调制的将调制的电功率转换成声功率电功率转换成声功率。 换能器有两作用系统：外加换能器有两作用系统：外加调制电源调制电源和进行和进行机械振动机械振动。一一、器件结构与功能、器件结构与功能 23(2)(2)电电声换能器声换能器( (又称超声发生器又称超声发生器) ) 反压电效应反压电效应：在晶体表面沿着电场：在晶体表面沿着电场方向施加电压，在电场作用下引起晶体方向施加电压，在电场作用下引起晶体几何形状应变，电压方向改变，应变方几何形状应变，电压方向改变，应变方向亦随之改变，向亦随之改变，形变与电场电压成比例形变与电场电压成比例，这种因电场作用而诱发的形变效应，也这种因电场作用而诱发的形变效应，也称为称为逆压电效应逆压电效应。一一、器件结构与功能、器件结构与功能 22(2)(2)电电声换能器声换能器( (又称超声发生器又称超声发生器) )1) 1) 换能器晶片产生振动换能器晶片产生振动 由于反压电效应，产生振动变形。但由于晶体由于反压电效应，产生振动变形。但由于晶体的对称性，大部分压电应变系数为的对称性，大部分压电应变系数为0。例如。例如石英晶体石英晶体（只有两个独立压电应变系数（只有两个独立压电应变系数d11和和d14）一一、器件结构与功能、器件结构与功能 21 如果在如果在x方向加电场，会在方向加电场，会在x方向上振动。当电场的频率等于晶片的固方向上振动。当电场的频率等于晶片的固有频率时，振动达到最大值有频率时，振动达到最大值转换效率最高转换效率最高。 忽略横向振动，在忽略横向振动，在y-z向存在应变，但晶体的厚度向存在应变，但晶体的厚度d是微米量级，是微米量级，y变形小。变形小。(2)(2)电电声换能器声换能器( (又称超声发生器又称超声发生器) )2)换能器的电性能换能器的电性能（驱动源和换能器联接）（驱动源和换能器联接） 虽然是机械振动，但它是由电驱动，一般用一个电感、电容、电阻组虽然是机械振动，但它是由电驱动，一般用一个电感、电容、电阻组成的等效电路表示。成的等效电路表示。一一、器件结构与功能、器件结构与功能 203)机电耦合系数机电耦合系数k 换能器把电能转变为机械振动能（或者说转变成超声波多少的参数）换能器把电能转变为机械振动能（或者说转变成超声波多少的参数）材料选择的参数。加在换能器上的电能只有一部分转变为振动能，其他材料选择的参数。加在换能器上的电能只有一部分转变为振动能，其他消耗在晶体中。消耗在晶体中。不同的晶体不同的晶体k不同，选不同，选k大的晶体，电声转换效率高（例如石英大的晶体，电声转换效率高（例如石英k=0.1）。）。一一、器件结构与功能、器件结构与功能 19(3)(3)耦合介质耦合介质 在换能器和声光介质之间夹一层耦合介质，在换能器和声光介质之间夹一层耦合介质，一般一般铟铟或或铟锡铟锡合金。合金。作用：作用：（1）使声光介质和换能器的阻抗接近）使声光介质和换能器的阻抗接近过渡介质，过渡介质，减少声反射损耗减少声反射损耗；（2）把换能器）把换能器粘在介质上粘在介质上，因为换能器，因为换能器d小，几小，几十微米；十微米；（3）作为换能器的）作为换能器的电极电极。声光调制器结构声光调制器结构吸声装置吸声装置一一、器件结构与功能、器件结构与功能 18(4)(4)吸声吸声( (或反射或反射) )装置装置( (放置在超声源的对面放置在超声源的对面) ) 在行波结构中加在行波结构中加吸收器吸收器吸收传播来的声吸收传播来的声波，使之不反射。波，使之不反射。 在驻波结构中加在驻波结构中加反射器反射器反射传播来的声反射传播来的声波，以便形成驻波。波，以便形成驻波。(5)(5)驱动电源驱动电源 产生调制电信号施加于电产生调制电信号施加于电声换能器的声换能器的两端电极上，驱动声光调制器两端电极上，驱动声光调制器(换能器换能器)工作。工作。一一、器件结构与功能、器件结构与功能 17声光调制器结构声光调制器结构吸声装置吸声装置拉曼拉曼纳斯衍射纳斯衍射二、工作原理二、工作原理16布拉格衍射布拉格衍射s与附加相位延迟因子与附加相位延迟因子2nL有关有关声致折射率差声致折射率差n正比于弹性应变幅值正比于弹性应变幅值S而而S声功率声功率Ps声波场受到信号的调制使声波振声波场受到信号的调制使声波振幅随之变化幅随之变化则衍射光强也将随之做相应的变化则衍射光强也将随之做相应的变化（1）拉曼）拉曼-纳斯型纳斯型 fs10MHz，低频，带宽较小，低频，带宽较小 入射光入射光 衍射光衍射光 调制信号调制信号拉曼拉曼-纳斯型声光调制器纳斯型声光调制器 当工作频率较高时，最大允许长度当工作频率较高时，最大允许长度太小，要求的声功率很高，因此只限太小，要求的声功率很高，因此只限于低频和有限的带宽内工作。于低频和有限的带宽内工作。由于衍射效率低，光能利用率低，根由于衍射效率低，光能利用率低，根据判据据判据二、工作原理二、工作原理（拉曼（拉曼-纳斯衍射区）纳斯衍射区）15衍射光衍射光调制信号调制信号入射光入射光声光调制器布喇格型声光调制器布喇格型（2）布喇格型）布喇格型tPsId(fm)fm(Is)0PS1/2声光调制特性曲线声光调制特性曲线 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。二、工作原理二、工作原理14 在声功率在声功率Ps (或声强或声强Is )较小的情况下，衍射效率较小的情况下，衍射效率 s 随声强度随声强度Is单调地增加单调地增加(呈线性关系呈线性关系) 必须使入射光束以布拉格角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。收衍射光束时，才能得到满意的结果。（2）布喇格型）布喇格型二、工作原理二、工作原理13（1）调制带宽）调制带宽 调制带宽是调制带宽是衡量能否无畸变地传输信息衡量能否无畸变地传输信息的一个重要指标，取的一个重要指标，取1级衍射光强级衍射光强下降到中心频率时衍射光强的一半所对应的频率变化，用（下降到中心频率时衍射光强的一半所对应的频率变化，用（f）m表示。表示。 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。展，因此，在一个有限的声频范围内才能产生布拉格衍射。三、性能指标三、性能指标允许的声频带宽与布拉格角的可能变化量之间的关系为允许的声频带宽与布拉格角的可能变化量之间的关系为 ：12 设入射光束的发散角为设入射光束的发散角为i，声波束的发散角为，声波束的发散角为，对于衍射受限制的波，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；：入射光束束腰半径；n：为介质的折射率；：为介质的折射率；D：声束宽度。：声束宽度。（1）调制带宽）调制带宽 三、性能指标三、性能指标11如果考虑两束最边界的如果考虑两束最边界的衍射光发生重叠衍射光发生重叠 入射角覆盖范围应为入射角覆盖范围应为 带宽与声波穿过光束的渡越时间（带宽与声波穿过光束的渡越时间（w0/vs)成反比，即与成反比，即与光束的直径光束的直径(w0)成成反比反比。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，。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级和级和1级衍射会有部分重叠，降低调制的效果。级衍射会有部分重叠，降低调制的效果。即最大的调制带宽即最大的调制带宽 近似等于声频率近似等于声频率fs的一半。因此，大的调制带宽要采的一半。因此，大的调制带宽要采用高频布喇格衍射才能得到。用高频布喇格衍射才能得到。 （1）调制带宽）调制带宽 三、性能指标三、性能指标10因此要求因此要求（2）衍射效率）衍射效率要得到衍射效率要得到衍射效率s=100，所需要的声强度为，所需要的声强度为 所需的声功率所需的声功率 三、性能指标三、性能指标9 声光材料品质因数声光材料品质因数M2越大，获越大，获100%的衍射效率所需声功率越小。则电的衍射效率所需声功率越小。则电声换能器的截面应做得长（声换能器的截面应做得长（L大）而窄（大）而窄（H小）。小）。 f0：声波中心频率：声波中心频率表征声光材料的调制带宽特性的品质因数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。值越大，声光材料制成的调制器所允许的调制带宽越大。（2）衍射效率）衍射效率三、性能指标三、性能指标8虽然增大作用长度虽然增大作用长度L会提高衍射效率，但是，也会导致会提高衍射效率，但是，也会导致调制带宽的减小调制带宽的减小假如声波的发散角假如声波的发散角会得到会得到提高布拉格声光调制器衍射效率的途径：提高布拉格声光调制器衍射效率的途径： 1、选择、选择声光性能指数声光性能指数（材料常数或优值）的声光介质；（材料常数或优值）的声光介质； 2、声光介质的、声光介质的长度（长度（L)足够长足够长、宽度宽度(H)窄窄和和适当增加声功率适当增加声功率Ps。注意：注意：功率过高会导致器件过热，从而影响器件的工作性能和可靠性。功率过高会导致器件过热，从而影响器件的工作性能和可靠性。（2）衍射效率）衍射效率三、性能指标三、性能指标7（3）声束与光束的匹配）声束与光束的匹配 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。声束和光束的发散角比。 提高衍射光的提高衍射光的消光比消光比希望衍射光尽量与希望衍射光尽量与0级级光分开光分开要求衍射光中要求衍射光中心和心和0级光中心之间的级光中心之间的夹角大于夹角大于2 ，即大于，即大于8/d0。由于衍射光和。由于衍射光和0级级光之间的夹角（即偏转角）等于光之间的夹角（即偏转角）等于 三、性能指标三、性能指标6不是超声能量边缘浪费，就是不是超声能量边缘浪费，就是不满足布拉格条件而不被衍射。不满足布拉格条件而不被衍射。调制器性能最佳。调制器性能最佳。可分离条件为可分离条件为 :D0：高斯光束腰部直径：高斯光束腰部直径：声束穿越光束的度越时间声束穿越光束的度越时间（3）声束和光束的匹配）声束和光束的匹配 三、性能指标三、性能指标5最佳发散角比的条件最佳发散角比的条件实际应用中就可以选择合适的聚焦透镜焦距实际应用中就可以选择合适的聚焦透镜焦距四、波导调制器四、波导调制器 4 i dks入射光入射光衍射光衍射光L声声表表面面波波电声换能器电声换能器波导层波导层y切割切割LiNbO3衬底衬底声光布拉格型波导调制器声光布拉格型波导调制器 布布拉拉格格型型波波导导调调制制器器由由平平面面波波导导和和交交叉电极换能器叉电极换能器组成。组成。 波波导导衬衬底底材材料料采采用用压压电电材材料料（如如LN等等）目的：激起表面弹性波。目的：激起表面弹性波。 采用采用Ti扩散扩散形成波导。形成波导。 用用光刻光刻方法在表面形成交叉电声换能器。方法在表面形成交叉电声换能器。 波波导导光光与与电电极极板板条条间间的的夹夹角角满满足足布布拉拉格格角角B，换换能能器器产产生生的的超超声声波波引引起起波波导导和和衬衬底底折折射射率率周周期变化期变化。四、波导调制器四、波导调制器 其光强为其光强为 ：在电场作用下导波光通过长度为：在电场作用下导波光通过长度为L距离的相位延迟；距离的相位延迟；B：比例系数，：比例系数，取决于波导的有效折射率取决于波导的有效折射率neff等因素。等因素。 因此，衍射光强因此，衍射光强I1随电压随电压V的变化而变化，达到对波导光的调制目的。的变化而变化，达到对波导光的调制目的。 3 因因此此，相相对对于于声声波波波波前前以以 B入入射射的的波波导导光光波波穿穿过过输输出出棱棱镜镜时时，得得到到与入射光束成与入射光束成2 B 的的1级衍射光。级衍射光。p 在激光谐振腔系统中有在激光谐振腔系统中有声光锁模、声光声光锁模、声光Q开关和腔倒空技术开关和腔倒空技术；p 在信号处理系统中有在信号处理系统中有雷达、电子对抗和光通信的声光信号处理技术雷达、电子对抗和光通信的声光信号处理技术；p 在光学高精度传感系统中有在光学高精度传感系统中有光学陀螺、水听器和干涉系统技术光学陀螺、水听器和干涉系统技术；p 在激光技术系统中有在激光技术系统中有文字、图像和其它信息处理技术文字、图像和其它信息处理技术。声光器件的应用声光器件的应用知识补充知识补充2本讲小结本讲小结1、声光调制器的结构及其功能、波导声光调制的原理、声光调制器的结构及其功能、波导声光调制的原理等等12、声光调制的工作原理：、声光调制的工作原理：拉曼纳斯、布拉格衍射拉曼纳斯、布拉格衍射3、调制带宽、衍射效率、声光束匹配、调制带宽、衍射效率、声光束匹配等参量的要求、关系和特征等参量的要求、关系和特征启示：启示：电调制信号电调制信号产生声功率产生声功率弹性应变弹性应变晶体折射变化晶体折射变化衍射衍射光强调制光强调制