声光偏转器物理原理.docx

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声光偏转器物理原理

声光偏转器物理原理-----主要方程式

将具有一个射频信号的压电传感器粘固在合适的晶体上，那么就会产生一个声波。

类似“相位光栅”，声波以介质中的声速穿过晶体，声波波长取决于射频信号频率。

任意入射光束通过该光栅时都会发生衍射，通常都会产生很多条衍射光束。

相互作用条件

参数品质因数Q，决定相互作用机制。

Q如下式给出:

2兀入丄

nA2

式中，；•为激光束的波长，n是晶体的折射率，L是光束穿过声波的距离，二是声波波长

Q<<1:

Raman-Nath衍射机制。

光束大致垂直入射声波束，会出现一些衍射条纹，其强度可由Bessel函数得出。

Raman

Q>>1:

Bragg衍射机制。

以特定角「•入射，只有一条衍射条纹一其他条纹通过干涉相互抵消

1storder

0order

在中间情况下，单独的分析处理是不可能的，要通过电脑完成一系列分析。

（Intheintermediatesituation,ananalyticaltreatmentisn'tpossibleandanumericalanalysiswouldneedtobeperformedbycomputer）.

大多数声光设备运行在Bragg机制下，常见的例外就是声光模式的锁模和Q-开

关

（Mostacousto-opticdevicesoperateintheBraggregime,thecommonexceptionbeingacousto-opticmodelockersandQ-switches.）

波矢解释

声光效应可以用波矢来描述。

由动量守恒可得：

'111--入射光波矢

'■'-衍射光波矢.

二节；-声波波矢

这里F是声波的频率，声速为v,ni和nd是入射光和衍射光下的折射率（它们并不是一定相同的

能量守恒推得：

Fd=Fi+/-F

所以衍射光的光频率近似等于声波的频率。

当FvvFdorFi多普勒频移几乎可以

忽略，但是在差拍变频中，却得到很好应用。

声光元件在不同的配置中使用不同的材料。

其描述条目如横模纵模、各向同性、各向异性。

尽管它们都是以动量和能量守恒为基本原理，但是不同的运转模式具

有不同的表现形式---如下将要展示的。

衍射光特性

各向同性相互作用

各向同性相互作用也称纵模相互作用。

这种情况下，声波纵向穿过晶体，入射光束与衍射光束折射率相同。

这时会有很好的对称性，入射角与衍射角对称。

作用过程中偏振性没有变化。

该效应通常发生在同质晶体或者适当切割的双折射晶体中。

在各向同性情况下，入射光的入射角一定等于Bragg角血:

这里八化11,是晶体中的波长，v是声速，F是射频频率。

一阶光束与零级光束之间的夹角「是入射角的两倍，也就是Bragg角的两倍。

衍射光强Ii直接受声波功率P的控制

这里，Io是入射光光强，M2是晶体的声光品质值（acousto-opticfigureofmeritforthecrystal），H和L是声波束的高度和长度，-是入射光束的波长。

衍射效率（相对值）是比值l〃lo

对于给定的情况，如果射频频率与Bragg准则需求略有不同，就会发生衍射。

但是衍射效率会下降。

情况如下所示，这里声波矢K比理想“Bragg波矢Ko要长

得出一个复杂的分析结果：

p-=1]sine2

式中，「叩八八I，被称为相位差（phaseasynchronism）

TtAAFL

A<|>=

在各向同性时：

-'•

对于精确的Bragg频率，运卜机炉护屯且效率最大；当「增加时，衍射效率下降直至减少为零。

如果在可接受衍射效率下进行一个较低的限制，那么就给「一个限制。

反过来

说，这也意味着幼的最大值并且定义了设备的射频带宽。

增加比值乳时二（声发散），就可以增加射频带宽。

Qricienc/versusf

RFpower（VV）

随着射频频率的不同，衍射光束的方向也会变化。

这就是声光偏转器的原理。

各向异性

各向异性相互作用中，从另一方面说，入射光折射率与衍射光折射率将会不同，因为相互作用中偏振相关发生了改变。

如下图所示，声波矢量Ki连接入射和衍

射波的指数曲线。

（K2只是简单的代表不同射频频率下的类似相互作用）在二氧化碲这样具体的例子中，声速会急速减少，这种不对称性不仅影响了折射率的变化也影响了声波在横模中的传输。

ANISOTROPICCASE

fliiAttri一r

//Kd

厂

r\

Puremodepropagationbhs

在声波和光波带宽各向异性相互作用通常可以增加效率。

它们几乎被普遍用于大口径设备。

二氧化确横模处，声速的降低，使得该材料常被用于高分辨率偏转器。

选择互动配置故而，声波矢量与衍

横模设备的带宽增加值可以由下图直接看出,射光束指数椭圆相切。

这也就意味着当衍射光束波矢长度有一个小的变化时，声波矢量会有非常大的不

同。

所以，在这种情况下，AK（因此，A0）对于射频频率改变很迟钝横模相互作用分析非常复杂，需要晶体切割、折射率、方向的详细信息。

然而，横模相互作用具有很多优势，大多数偏转器所有的声光可调滤光器运用的都是横模相互作用。

但是减慢的声速使得该设备运行比纵模的要慢，某些情况下这也可以看做是它的缺点。

布拉格细胞（BRAGGCELL）的结构

尽管声波效应在液体中很容易观察到，实际上射频频率在MHz到GHz的设备常用晶体玻璃作为相互作用介质

压电传感器按射频频率驱动时就会产生声波（图6）

该传感器放在两个电极之间。

传感器的积极限制由上面的电极决定。

下面的电极与晶体连接。

传感器的厚度由产生的声波频率决定。

电极H高度由应用类型决定，并且必须超过光束直径。

选择一个偏转器，以使晶体内部传播的声波波束平行。

电极长度L由需要的带宽和效率决定。

电极的形状因匹配阻抗或者声波形状的不同而不同。

通过优化电极的形状就可以的到声信号的空障。

（即odization）用一个带匹配阻抗的电路来连接驱动的传感器。

实际上，需要该电路来调整

Bragg细胞的射频源阻抗（总共50Ohms），避免功率返回损耗。

射频功率返回损耗（powerreturnloss）的决定参数就是模拟量输出（AO，（AO（Analogy

Output）模拟量输出，模拟量输出的信号是电压（如0~5V、0~10V间的电压）或电

流（如0~10mA间的电流），其输出电压或电流的大小由控制软件决定。

））设备的

电压驻波比（VSWR）。

射频接口

阻抗匹配电路

晶体通常会包裹一层氩（AR）以减少光学表面的反射光。

另外，切割表面也可以为特定波长切割成Brewster角

不同材料品种都可以使用。

它们拥有各自的优点和缺点

晶体

转感器

吸收

电极通光口径

晶体长度：

通常3to50mm传感器厚度：

通常1to100m

电极厚度：

通常o.itoiom

声光效应对光束影响

总之，Bragg相互作用在设备中常用的有四个特性。

一些特性是所有设备所共有的：

例如，一个调制器也是一个固定的移频器，一个偏转器同时也是一个变量器或者调制器。

各个设备最大的不同取决于设计策略，一满足不同的实际应用需求。

在这一步，

组件设计师和应用工程师的紧密合作是非常重要的。

1.偏转

衍射光束偏转角正比于声波频率。

这就是偏转器的原理

2.调幅（强度）

衍射光束光强是声波功率的函数。

调制器（q-开关）用的就是该属性。

3.频移

频移在声波相互作用中已经介绍（*/-等于声波频率）。

所以任何声光设备都可以用作固定频或者变频转换器

4.波长调谐滤波

波长选择就是指在一个大的带宽源只有一个波长适合Bragg条件。

这就是声光可调滤波器的原理

声光词汇

Bragg细胞（Braggcell）:

一个主体为声光相互作用的设备（如偏转器，变频器）

零级条纹、一级条纹（“Zero”order,”1st”）order

零级条纹是指直接穿过细胞的光束。

一级条纹是指声波下光束相互作用产生的衍射光束。

Bragg角（Braggangle）'■:

给定的衍射效率的，单衍射光束的入射光束特定角（入射光束与声波之间的夹角）。

该角取决于波长和射频频率。

08^

分离角（Separationangle）

零级条纹和一级条纹之间的夹角

射频带宽（RFBandwidth）0氏:

对于一个给定方向波长的光波，有一个特定的射频频率匹配Bragg准则。

然而,仍然有一定范围的频率可以同时满足接近最佳位置和衍射效率。

射频带宽是确定的，例如，偏转器的扫描角度和AOTF的可调带宽

最大偏转角（Maximumdeflectionangle）

射频频率扫描过整个射频带宽时，一级光束的角度。

上升时间（Risetime）6良:

：

正比于声波穿过激光束的时间，因此，光束中射频信号变化所引起响应的时间。

通过减少光束的宽度可以减少上升时间。

（Proportionaltothetimetheacousticwavetakestocrossthelaserbeamand,therefore,thetimeittakesthebeamtorespondtoachangeintheRFsignal.Therisetimecanbereducedbyreducingthebeam'width.）

调制带宽（Modulationbandwidth）』；|H；^':

在可调幅下光束的做大频率。

与上升时间一样，可以通过降低激光束的直径来增加。

效率（Efficiency）

st”

一级条纹和未偏转零级条纹的比值。

（Thefractionofthezeroorderbeamwhichcanbediffractedintotheorderbeam）消光比（Extinctionratio）:

当声波分别是“开”和“关”时，一级光束的最大光强和最小光强的比值。

频移（Frequencyshift）（F）:

衍射光束与入射光束的频率差值。

频移等于声波频率，向上移或者下移依视方向

而定。

分辨率（Resolution）（N）:

解析点的数目，依据Rayleigh判据描述的、由偏转器生成的、相应的偏转光束的分离位置的最大数目。

（Thenumberofresolvablepoints,whichadeflectorcangenerate-

correspondingtothemaximumnumberofseparatepositionsofthediffractedlightbeam-asdefinedbytheRayleighcriterion）.

射频功率（RFPower）MJi：

驱动提供的电能。

声波功率（Acousticpower）“:

由压电传感器产生的晶体中的声波功率。

比射频功率略低如同机电转换率低于

1。