声光调制器,是一种基于声光效应来实现光调制的器件。超声波在介质中传播时,由于弹光效应,介质的折射率将呈现周期性变化,如同光栅。因此,当光束通过该介质时将发生衍射现象,其衍射光的强度、频率和方向将随超声波而变化。与机械调制器和电光调制器相比,声光调制器具有体积小、衍射效率高、温度稳定性高及消光比高等优点。


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声光调制器的分类
根据声波频率的高低以及声光波相互作用长度的不同,声光调制器可以分为拉曼奈斯(Raman-Nath)型和布拉格型(Bragg)两种。当超声波频率较低、声光相互作用长度较短时,将产生拉曼奈斯衍射。光束垂直与声波矢入射,可生成多级衍射光,如图1(a)所示。而当超声波频率较高、声光相互作用长度较长时,将产生布拉格衍射。光束以一定的布拉格角入射,只会生成0级和1级衍射光,如图1(b)所示。其中,0级与1级衍射光的角度为2倍布拉格角。
相比于拉曼奈斯型声光调制器,布拉格型声光调制器具有较宽的调制带宽和较高的衍射效率。在理想条件下,其1级光的衍射效率可达100%。因此,布拉格型声光调制器的用途更广,实际使用的声光调制器基本都是布拉格型。

图1 衍射示意图(a)拉曼奈斯(Raman-Nath)衍射;

(b)布拉格(Bragg)衍射

此外,根据入射方式的不同,布拉格型声光调制器可以分为自由空间型和光纤耦合型。由于射频功率最终会转化为热量,因此通常需要对声光调制器进行冷却降温,冷却方式有水冷冷却和传导冷却两种。

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声光晶体材料
作为声光器件的核心元件,声光材料的种类有很多,几种常见的声光晶体材料如图2所示。在可见光波段,常见的声光材料有二氧化碲(TeO2)、石英(SiO2)和钼酸铅(PbMoO4)等。而在红外光波段,常见的声光材料有砷化镓(GaAs)、锗(Ge)和氯化亚汞(Hg2Cl2)等。

图2 几种常见的声光晶体材料

声光调制器的好坏取决于声光晶体材料的性能,衡量其性能的参数有衍射效率η、声光品质因数M2以及超声衰减系数α。其中,衍射效率是指声光调制器生成的1级衍射光强度与入射光强度之比,可用来表征声光调制的调制能力。衍射效率越高,声光调制器的调制能力越强。其表达式为:

其中,P0为超声功率,L为声光相互作用长度,λ为入射光波长,H为声束高度。

由上式可知,在其它参数都不变的情况下,声光品质因数越大,声光晶体的衍射效率越高。同时,在保证衍射效率不变的情况下,声光品质因数越大,超声功率就越低。其表达式为:

其中,n为晶体材料的折射率,p为晶体材料的光弹系数,ρ为晶体材料密度,υ为声速。
超声衰减是指超声波在介质中传播时,有一部分的能量会被晶体吸收,并最终以热能的形式消散高超声衰减系数的声光调制器在工作时容易温度过高,从而导致输出的光学信号失真。其表达式为:

其中,γ为 Gruneisen常数,ω为频率,κ为热导率,Τ为温度。

综合以上这些公式,一款好的声光晶体材料应同时具备高品质因数和低超声衰减系数。由于高的超声功率将伴随明显的热效应,同时会导致超声衰减系数增加。因此,最有效的途径是寻找品质因数值高的声光材料。表1中列出了几种常见晶体材料的折射率、品质因数和超声衰减系数。其中,二氧化碲是目前应用最为广泛的声光晶体材料之一

表1 常见晶体材料的声光特性参数

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选型重要参数
在选择声光调制器时,除了前面提到的衍射效率,还需要重点关注的参数有射频信号频率调制带宽其中,射频信号频率指的是加载在声光调制器上的超声波频率,这里默认为衍射效率最佳时对应的超声波频率。调制带宽是以低频信号的最大调制度为基值,改变调制信号直到调制度下降 3dB 所对应的频率宽度,也代表声光调制器最大可调制的频率。当调制信号频率超过调制带宽时,光信号的波形会出现失真。

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组装与使用
以LBTEK空间型声光调制器为例,声光调制器还需要搭配射频驱动器、信号发生器和可编程直流电源使用。其中,射频驱动器用于生成射频信号,射频信号的波形决定了输出光波的波形。可编程直流电源可用于给射频驱动器供电(24V)和提供模拟信号(5V),信号发生器则用于生成调制信号(TTL)。最后,激光束经声光调制器调制,其波形将通过探测器呈现在示波器上。

具体的使用和调试过程可观看麓邦课堂视频↓

图3 声光调制器常用连接方式

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声光调制器的应用
正如视频中所演示的,通过改变数字和模拟信号,声光调制器可以对激光束的频率、脉宽精确调控。除此之外,通过改变声波的频率和振幅,还可以对激光束的方向和强度进行调控,具有调制速度快、调制效率高、消光比高等特点。根据以上这些特性,除了应用在激光调制领域,声光调制器还被广泛应用在激光测距、激光雷达和光通信等领域。其中,通过对激光频率的控制,声光调制器可以生成窄脉冲用于激光测距领域。通过对激光强度和频率的调控,声光调制器可对光信号进行编码,因此可以应用在光通信领域。通过对激光方向的控制,声光调制器能够实现对光束快速偏转和扫描,因此可应用在激光扫描或激光雷达领域。

参考文献:
[1]许增华,戴世勋,林常规,等.声光晶体和玻璃材料及其调制器的研究进展[J].激光与光电子学进展,2021,58(15):92-105.
[2]吴畏,唐诗,王智林,等.单偏振光纤声光调制器[J].压电与声光,2020,42(06):769-771.
[3]邹峰,郑天雄,张官扬,等.基于AOM声光调制器线性扫频测距研究[J].应用激光,2020,40(06):1132-1137.
[4]王大贵,吴中超,王晓新,等.一种高速光纤声光调制器[J].压电与声光,2018,40(02):155-156+161.

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