《声光调制》PPT课件
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第三章光电子技术-2(声光调制和声光偏转).
第三章光波的调制
第二部分—声光调制和磁光调制
3.6声光调制的物理基础
۩ 3.6.1超声波的概念 ۩ 3.6.2声光效应
۩ 3.6.3拉曼——奈斯衍射
۩ 3.6.4布拉格衍射 ۩ 3.6.5声光调制 ۩ 3.6.6声光偏转
3.6.1超声波的概念
世界因为有了声音而充满欢乐。我们平常听到的各种 声音只是声音世界中的一部分，范围在 20 赫兹至 20000 赫 兹之间，而 20000 赫兹以上的声音是超声，尽管听不到， 却很有意义。 超声波有两个特点，一个是能量大，一个是沿直线传 播。它的应用就是按照这两个特点展开的。 理论研究表明，在振幅相同的情况下，一个物体振动 的能量跟振动频率的二次方成正比．超声波在介质中传播 时，介质质点振动的频率很高，因而能量很大。
声光效应与电光效应
相似之处：
晶体在受到外部作用后，才出现光学性质的变化， 具体表现为折射率的分布发生改变。
区别：
电光效应中，外加电场的加入是起因。 声光效应中，造成折射率变化的因素是应变或应力。
3.6.3拉曼——奈斯衍射
1、声光衍射的定性描述：在晶体中传播的超声波，会造 成晶体的局部压缩或伸长，这种由于机械应力引起的弹 光效应使晶体的介电常量发生变化，因而折射率也发生 变化。 2、在介质中形成了周期性的有不同折射率的间隔层，这 些层以声速运动，层间保持声波波长一半（ λs/2 ）的距 离，当光通过这种分层结构时，就发生衍射，引起光强 度、频率和方向随超声场的变化。
3.6.3拉曼——奈斯衍射
声波阵面
对于垂直入射情形，相对于 0 度 方向的衍射极值角度方向由公式
λ s
入射光
sin m m s
m 0,1,2,
第二部分—声光调制和磁光调制
3.6声光调制的物理基础
۩ 3.6.1超声波的概念 ۩ 3.6.2声光效应
۩ 3.6.3拉曼——奈斯衍射
۩ 3.6.4布拉格衍射 ۩ 3.6.5声光调制 ۩ 3.6.6声光偏转
3.6.1超声波的概念
世界因为有了声音而充满欢乐。我们平常听到的各种 声音只是声音世界中的一部分，范围在 20 赫兹至 20000 赫 兹之间，而 20000 赫兹以上的声音是超声，尽管听不到， 却很有意义。 超声波有两个特点，一个是能量大，一个是沿直线传 播。它的应用就是按照这两个特点展开的。 理论研究表明，在振幅相同的情况下，一个物体振动 的能量跟振动频率的二次方成正比．超声波在介质中传播 时，介质质点振动的频率很高，因而能量很大。
声光效应与电光效应
相似之处：
晶体在受到外部作用后，才出现光学性质的变化， 具体表现为折射率的分布发生改变。
区别：
电光效应中，外加电场的加入是起因。 声光效应中，造成折射率变化的因素是应变或应力。
3.6.3拉曼——奈斯衍射
1、声光衍射的定性描述：在晶体中传播的超声波，会造 成晶体的局部压缩或伸长，这种由于机械应力引起的弹 光效应使晶体的介电常量发生变化，因而折射率也发生 变化。 2、在介质中形成了周期性的有不同折射率的间隔层，这 些层以声速运动，层间保持声波波长一半（ λs/2 ）的距 离，当光通过这种分层结构时，就发生衍射，引起光强 度、频率和方向随超声场的变化。
3.6.3拉曼——奈斯衍射
声波阵面
对于垂直入射情形，相对于 0 度 方向的衍射极值角度方向由公式
λ s
入射光
sin m m s
m 0,1,2,
声光调制光速测量光速介质折射率测量ppt新版
该调制光被置于导轨上的角锥按原路反射回来，进入光电倍增管进行外差式检测
考O p虑lu各s E向，同p.性介质•，鹤折田射率匡的改夫变.为光速度の(S为测应变定量.，Op为声p光lu系s数E），p.94，1982
因此，可由差值（x2-x1）确定光速c。
该调制光被置于导•轨华上中的角工锥按学原院路反等射回. 来激，光进入技光电术倍.增湖管进南行科外差学式检出测版社，1981
pS0
s
ks
s
❖介质的行波和驻波都使介质折射率在空间呈周期性变化，这相当于一位相光栅。
❖声波在一个周期T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T/2在波腹处变化一次。
2 实验原理
（二）光速测量原理
2 实验原理
（二）光速测量原理 ❖将频率为10MHz的晶体振荡器信号加到声光调制器上，通过调制器的He-Ne激光束被调 制成频率为20MHz的光强调制波。 ❖该调制光被置于导轨上的角锥按原路反射回来，进入光电倍增管进行外差式检测 ❖将频率为19.704MHz的本振信号直接加在光电倍增管上，与入射的20MHz光强调制波 在光阴极上产生的电信号进行混频 →→得到频率为296kHz的光差频信号Δf ❖该信号在光电倍增管内经各倍增极多次倍增放大后送至示波器的Y轴。 →→为了测量光信号在传播时间内产生的相移φ ❖把未经移相的频率为10MHz的晶振信号直接与19.704MHz信号混频，经过选频放大器 ，取出与Δf同频的296kHz参考信号 ❖调节电感移相器移相φ，使之与Δf同相，然后送至示波器的X轴进行鉴别 ❖当示波器现实的李萨茹图形为同相直线时，即可由移相器读出此时的φ值 ❖移动导轨上的角锥，匀间隔地测出沿导轨各点坐标X所对应的φ值，以确定X与φ的线性 关系，最后求出光速。
考O p虑lu各s E向，同p.性介质•，鹤折田射率匡的改夫变.为光速度の(S为测应变定量.，Op为声p光lu系s数E），p.94，1982
因此，可由差值（x2-x1）确定光速c。
该调制光被置于导•轨华上中的角工锥按学原院路反等射回. 来激，光进入技光电术倍.增湖管进南行科外差学式检出测版社，1981
pS0
s
ks
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❖介质的行波和驻波都使介质折射率在空间呈周期性变化，这相当于一位相光栅。
❖声波在一个周期T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T/2在波腹处变化一次。
2 实验原理
（二）光速测量原理
2 实验原理
（二）光速测量原理 ❖将频率为10MHz的晶体振荡器信号加到声光调制器上，通过调制器的He-Ne激光束被调 制成频率为20MHz的光强调制波。 ❖该调制光被置于导轨上的角锥按原路反射回来，进入光电倍增管进行外差式检测 ❖将频率为19.704MHz的本振信号直接加在光电倍增管上，与入射的20MHz光强调制波 在光阴极上产生的电信号进行混频 →→得到频率为296kHz的光差频信号Δf ❖该信号在光电倍增管内经各倍增极多次倍增放大后送至示波器的Y轴。 →→为了测量光信号在传播时间内产生的相移φ ❖把未经移相的频率为10MHz的晶振信号直接与19.704MHz信号混频，经过选频放大器 ，取出与Δf同频的296kHz参考信号 ❖调节电感移相器移相φ，使之与Δf同相，然后送至示波器的X轴进行鉴别 ❖当示波器现实的李萨茹图形为同相直线时，即可由移相器读出此时的φ值 ❖移动导轨上的角锥，匀间隔地测出沿导轨各点坐标X所对应的φ值，以确定X与φ的线性 关系，最后求出光速。
声光调制
声波是一种纵向机械应力波(弹性波).若把这种应力波作用到声光介质中时会引起介质密度呈疏密周期性变化，使介质的折射率也发生相应的周期性变化，这样声光介质在超声场的作用下，就变成了一个等效的相位光栅,如果激光作用在该光栅上，就会产生衍射。
衍射光的强度、频率和方向将随超声场而变化。
激光具有极好的时间相干性和空间相干性，它与无线电波相似，易于调制，且光波的频率极高，能传递信息的容量很大；加之激光束发散角小，光能高度集中，既能传输较远距离，又易于保密，因而为光信息传递提供了一种理想的光源。
激光调制我们把欲传输的信息加载于激光副射的过程称为激光调制。
光调制分为内调制和外调制两类。
外调制是指加载调制信号在激光形成以后进行的，即调制器置于激光谐振腔外，在调制器上加调制信号电压，使调制器的某些物理特性发生相的变化，当激光通过它时即得到调制，所以外调制不是改变激光器参数,而是改变已经输出的激光的参数(强度,频率等)。
声光调制声波是一种纵向机械应力波(弹性波)。
若把这种应力波作用到声光介质中时会引起介质密度呈疏密周期性变化，使介质的折射率也发生相应的周期性变化。
这样声光介质在超声场的作用下，就变成了一个等效的相位光栅，如果激光作用在该光栅上，就会产生衍射。
衍射光的强度、频率和方向将随超声场而变化.所谓“声光调制器”就是利用这一原理而实现光束调制或偏转的。
声光调制的原理1、超声波在声光介质中的作用声波在介质中传播分为行波和驻波两种形式。
行波所形成的声光栅其栅面是在空间移动的。
介质折射率的增大和减小是交替变化的,并且以超声波的速度V向前s推进。
在声光介质中,两列相向而行的超声波(其波长,相位和振幅均相同)产生叠加，在空间将形成超声驻波。
声驻波形成的声光栅在空间是固定的,其相位变化与时间成正弦关系，合成声波方程为:a(z,t)=a1(z,t)+a2(z,t)=2Acos2πz/λs·sin2πt/Ts介质中折射率的变化如图1所示,声波在一个周期T内，介质将两次出现疏密层，且在波节处密度保持不变，因而折射率每隔半个周期(T/2)在波腹处变化一次，即由极大值变为极小值，或由极小值变为极大值，在两次变化的某一瞬间介质各部分折射率相同,相当于一个不受超声场作用的均匀介质。
1.3声光调制
声波的方程：as x, t As cos st ks x
质点瞬时位 声波的角频 移 率 可以近似认为介质折射率的变化正比于介质质点沿x轴位移的 变化率：
da n z , t k s A sin s t k s z dz
nz, t n sins t k s z
布喇格衍射
(a)各向同性介质中的正常布喇格衍射 举例：
实际用于激光器中的声光调Q器件的是布喇格角很小的 ，如 YAG激光器，若超声波的振荡频率40MHz。则在超声介质石 英中的传播时，超声在熔石英中的传播速度s 5.96 105 cm / s 可算得： s 1.49102 cm
n 1.46 。 光波长为： 1.06m，
1.3.1 声光调制的物理基础
声波在介质中的传播
声行波和声驻波所形成的“声光栅” 的差别：
声行波形成的声光栅栅面在空间是运动的，运动速度=声速； 而声驻波形成的声光栅是固定不动的； 声行波光栅在声波作用于声光介质期间是始 终存在的；而声驻波光栅，每隔半个周期便 会出现一次介质折射率为常数的情况，即声 光介质内的声光栅是“有/无”交替变化的。
声光栅近似静止
通过光学稠密（折射率大）部 分的光波阵面将推迟，而通过 光学疏松（折射率小）部分的 光波面将超前。 所以，通过声光介质的平面波 波阵面出现凹凸现象，变成一 个褶皱的波面。 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各级衍 射光。
1.3.2 声光相互作用的两种类型——声光衍射
k i
k s
声光互作用可归结为：光子同声子的碰撞过程。在光子和声 子间的一连串碰撞中，每碰撞一次，消失（或产生）一个入 射光子和一个声子，同时产生一个衍射光子。
声光调制实验讲义
声光调制实验讲义前言早在本世纪30年代就开始了声光衍射的实验研究。
60年代激光器的问世为声光现象的研究提供了良好的光源，促进了声光效应理论和应用研究的迅速发展。
声光效应为控制激光束的频率、方向和强度提供了一个有效的手段。
利用声光效应制成的声光器件，如声光调制器、声光偏转器和可调谐滤光器等，在激光技术、光信号处理和集成光通讯技术等方面有着重要应用。
声光效应已广泛应用于声学、光学和光电子学。
近年来，随着声光技术的不断发展，人们已广泛地开始采用声光器件在激光腔内进行锁膜或作为连续器件的Q 开关。
由于声光器件具有输入电压低驱动功率小、温度稳定性好、能承受较大光功率、光学系统简单、响应时间快、控制方便等优点，加之新一代的优质声光材料的发现，使声光器件具有良好的发展前景，它将不断地满足工业、科学、军事等方面的需求。
一.实验目的1、了解声光器件工作原理。
2、掌握声光相互作用原理。
3、观察布拉格衍射现象。
4、研究声光调制和声光偏转的特性。
二.实验原理（一）激光调制技术的发展激光是一种光频电磁波，具有良好的相干性，与无线电波相似，可以用来作为传递信息的载波。
激光具有很高的频率（约1013~1015Hz）可供利用的频带很宽，故传递信息的容量大。
再有，光具有极短的波长和极快的传递速度，加上光波的独立传播特性，可以借助光学系统，把一个面上的二维信息以很高的分辨率瞬间传递到另一个面上，为二维并行光学信息处理提供条件。
所以激光是传递信息（包括语言、文字、图象、符号等）的一种很理想的光源。
要用激光作为信息的载体，就必须解决如何将信息加到激光上的问题，例如激光电话，就需要将语言信息加在于激光，由激光“携带”信息通过一定的传输通道（大气、光纤等）送到接收器，再由光接收器鉴别并还原成原来的信息，从而完成通话的目的。
这种将信息加载于激光的过程称之为调制，完成这一过程的装置成为调制器。
其中激光成为载波，起控制作用的低频信息称为调制信号。
第4章 声光调制 2012.10.12
(2)布拉格声光衍射的粒子模型。 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ħωi，动量为ħki的光子(粒子)流，其中ωi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 ħωs 、动量为
ħ 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
2A)，这些点称为波腹，波腹间的距离为λs ／2。在x＝(2n+1) λs
／4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λs／2。 x＝ nλs /2 x＝(2n+1) λs／4
图 1.3-2 超声驻波
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(正比于介 质质点沿x方向位移的变化率, 对上式求导并令△n = - 4Aπ /λs )
光场强是所有子波源贡献的求和，即由下列积分决定：
(1.3—11)
式中，l＝sinθ (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ν＝ (Δn)k iL ＝2π(Δn)L／λ代入上式 (ν是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：
(1.3-12)
(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 持不变，因而折射率每隔半个周期(Ts／2)就在波腹处变化一次，
由极大(或极小)变为极小(或极大)。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。 若超声频率为fs，那么光栅出现和消失的次数则为2 fs ，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。
光电子技术(声光调制和声光偏转)
声光偏转器的性能指标及评价方法
性能指标
声光偏转器的主要性能指标包括衍射效率、偏转角度、工作频率范围、响应时间等。其中，衍射效率 反映了声光相互作用的强弱，偏转角度决定了光波偏转的程度，工作频率范围和响应时间则关系到器 件的适用性和动态性能。
评价方法
通常采用实验测量的方法对声光偏转器的性能指标进行评价。例如，可以通过测量不同频率和声强下 的衍射效率和偏转角度，绘制出器件的频率响应曲线和偏转特性曲线，以全面评估器件的性能。
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声光偏转是利用声波在介质中传播时 引起的折射率梯度，使光束发生偏转 的现象。声光偏转器通常由压电晶体 和棱镜组成，当压电晶体受到声波作 用时，其折射率会发生变化，使得通 过棱镜的光束发生偏转。
声光调制和声光偏转 的应用
声光调制和声光偏转在光通信、激光 雷达、光学测量等领域具有广泛的应 用。例如，在光通信中，声光调制器 可用于实现高速光信号的调制和解调 ；在激光雷达中，声光偏转器可用于 实现光束的快速扫描和定位；在光学 测量中，声光调制和声光偏转可用于 实现高精度的光学干涉和衍射测量。
02 声光调制技术
声光调制器的基本结构和工作原理
基本结构
声光调制器主要由声光介质、压电换能器、吸声（或反射）装置及驱动电源等组 成。
工作原理
声光调制器是利用声光效应将信息加载于光频载波上的一种物理器件。当特定频 率的声波作用于声光介质时，会引起介质折射率的变化，从而使通过介质的光波 参数（如振幅、频率、相位等）随之发生变化，实现对光波的调制。
于制作光电探测器。
非线性光学材料
具有非线性光学效应的材料， 如磷酸二氢钾、铌酸锂等，用 于制作光调制器和光开关等。
5.5声光调制(new)
T
现给晶体加x方向的一维声场，则应变Sn为： S 根据
S1 ,0,0,0,0,0
Bm Pmn Sn
可得
B1 P 11S1
B2 B3 P 12 S1
其他为0
13
熔融石英为各向同性介质，无应力时折射率椭球方程为
x2 y2 z 2 1 2 no
加x方向应力后
或
B (x y z ) 1
5.5 声光效应与声光调制
• 1922年布里渊曾预言声波对光波具有衍射 效应，这一预言在10年后得到实验验证 • 利用声光效应可以控制光束的频率、强度、 传播方向等，相应器件在信息传输、显示、 处理等方面有广泛应用
1
• 声波从而激起介 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，使得 介质的折射率分布也随之变化，这种现象 称为声光效应
2 0 2 2 ( B0 P S ) x ( B P S )( y z ) 1 11 1 12 1
在主轴坐标系下，椭球方程可以写为
比较二式可得
x2 y2 z 2 1 2 2 n1 n2
3 no n2 no P 12 S1 2
3 no n1 no P 11S1 2
6
一、弹性形变、应力和应变
• 物体中某点附近的微元体在所有可能方向 上的应变的全体称为这一点的应变状态
• 应变为二阶张量，且为对称张量
S11 S ij S 21 S 31 S12 S 22 S 32 S13 S 23 S 33
Sij=Sji 所以有6个独立元素 其中对角元素表示正应变 非对角元素表示切应变
27
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 数倍 (确保同相位)
现给晶体加x方向的一维声场，则应变Sn为： S 根据
S1 ,0,0,0,0,0
Bm Pmn Sn
可得
B1 P 11S1
B2 B3 P 12 S1
其他为0
13
熔融石英为各向同性介质，无应力时折射率椭球方程为
x2 y2 z 2 1 2 no
加x方向应力后
或
B (x y z ) 1
5.5 声光效应与声光调制
• 1922年布里渊曾预言声波对光波具有衍射 效应，这一预言在10年后得到实验验证 • 利用声光效应可以控制光束的频率、强度、 传播方向等，相应器件在信息传输、显示、 处理等方面有广泛应用
1
• 声波从而激起介 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，使得 介质的折射率分布也随之变化，这种现象 称为声光效应
2 0 2 2 ( B0 P S ) x ( B P S )( y z ) 1 11 1 12 1
在主轴坐标系下，椭球方程可以写为
比较二式可得
x2 y2 z 2 1 2 2 n1 n2
3 no n2 no P 12 S1 2
3 no n1 no P 11S1 2
6
一、弹性形变、应力和应变
• 物体中某点附近的微元体在所有可能方向 上的应变的全体称为这一点的应变状态
• 应变为二阶张量，且为对称张量
S11 S ij S 21 S 31 S12 S 22 S 32 S13 S 23 S 33
Sij=Sji 所以有6个独立元素 其中对角元素表示正应变 非对角元素表示切应变
27
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 数倍 (确保同相位)
《声光调制》课件
3 具有可调性
声光调制器可以调节声光 耦合效应的强度和速度， 实现灵活的信号调制和控 制。
声光调制的应用
1 光纤通信
声光调制技术可以实现光纤通信中的信号调 制、解调和光放大，提高通信质量和距离。
3 光纤传感器
声光调制器可以用于光纤传感器中的信号调 制和解调，实现高灵敏度、高分辨率的传感 器探测。
2 激光雷达
声光调制器在激光雷达中可以实现激光脉冲 信号的调制和解调，提高雷达测距和探测精 度。
4 光存储技术
声光调制技术在光存储中可以实现高密度、 高速度的数据存储和读取。
声光调制的发展趋势
1 新型材料的发展
2 新型激光技术的应用 3 相关技术的集成
新型材料的不断发展将为 声光调制器的性能提升和 应用拓展提供更多可能性。
新型激光技术的应用将进 一步推动声光调制器的性 能提升和应用领域的扩大。
声光调制器将与其他光电 子技术相互集成，形成更 加高效和多功能的光学系 统。
总结
1 声光调制的优势和应用前景
声光调制技术具有快速、高分辨率和可调性等优势，在光通信、激光雷达等领域拥有广 阔的应用更先进的材料和技术支持以实现更高的性能，并克服面临的挑战和瓶颈。
声光调制
本课件将介绍声光调制的概念、原理、实现方式以及应用领域，以及声光调 制的发展趋势和未来的前景。
概述
1 声光调制的定义
声光调制是一种利用声波和光波相互作用的 技术，将声音信号调制到光波上，并通过光 波传输和控制。
2 应用领域
声光调制广泛应用于光通信、激光雷达、光 纤传感器和光存储技术等领域，为光电子技 术提供了重要支持。
声光调制原理
1 激光器的工作原理
激光器通过受激发射产生的聚集光，提供了 高亮度和相干性的光源。
声光调制
Id(fm) 0
t Ps
fm(Is)
图3声光调制特性曲线
11
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(近似呈线性 关系)：
s
L
2 2
2 2
2 cos B
M2Is
式中的因子是考虑了布喇格角对声光作用的 影响。由此可见，若对声强加以调制，衍射 光强也就受到了调制。布喇格衍射由于效率 高，且调制带宽较宽，故多被采用。
x
TM TE TM y
z
图2 磁光波导模式转换调制器
28
在磁性膜表面用光刻方法制作一条金属蛇 形线路，当电流通过蛇形线路时，蛇形线路 中某一条通道中的电流沿 y 方向，则相邻通 道中的电流沿y方向，该电流可产生z、z 方向交替变化的磁场，磁性薄膜内便可出现 沿z、z方向交替饱和磁化。蛇形磁场变化 的周期为：
1 3 n n PS 2
P是声光晶体的弹光系数 ，S为声光晶体在声 场作用下的弹性应变幅 值，与超声驱动功率 Ps 有关。改变Ps，一级衍射光的强度将 改变， 可以实现对光强的调制 。
I1 s I i
5
布喇格衍射
产生布喇格衍射条件：声波频率较高，声 光作用长度L较大，光束与声波波面间以 一定的角度斜入射，介质具有“体光栅” 的性质。
15
B i
2 i , nw0
(参见教材 88页图3 16)
B
nw0
调制带宽
2vs 1 (f ) m f s cos B 2 w0
16
由上述可知：声光调制器的带宽与 声波穿国光束的度越时间（w0/v0）成反 比，即与光束的直径成反比。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，0级和1级衍射会 有部分重叠，降低调制的效果。
第一章电光调制与声光调制ppt课件
出功率。
G l
b. 调制器带宽受到谐振腔通带的限制
优 点： a.因为调制器和激光形成无关,不影响激光器的输出功率。 b.调制器的带宽不受谐振腔通带的限制，
缺 点：调制效率低。
三．振幅调制和强度调制
1.振幅调制（调幅） (1) 定义：以调制讯号去改变激光的振幅，使其振幅按调制讯号
的规律变化。ec(t)A ccos(ctc)
I/I0和VD 的曲线不 是线性关系—易发 生畸变,在V/2附近 有一段近似线性部 分----波形畸变小。
3.防止输出光强畸变的方法(如何保证D= /2)
a.在晶体上加以V/2的直流电压
V V 2 V m s inm t， 使 D 2
缺点：工作点的稳定性差。Q V 24 n o 3 6 3， 温 度 变 n o 变 V 2 变
m A Ac
(3)调幅波的频谱分析
a(t)A0cosmt e(t)Ac(1mcosmt)cos(ctc)
Ac[cos(ctc)mcosmtcos(ctc)] Accos(ctc)m 2Accos[(cm)tc]m 2Accos[(cm)tc]
Amax AcKA0
振幅的最小值 振幅的最大增量
Amin AcKA0 A A m a x A c A c A m in
由
A＝KA0可得
m
K A0 Ac
m主要由K，A0决定，即比例系数K和调制讯号的振幅A0
对m的要求： m<1,保证调制信号在传输过程中
不畸变。 m≥1时，使调制信号失真。
在实际应用中，为了得到较强的抗干扰效果，往往利用二次 调制方式，即先将低频信号对一高频副载波进行频率调制，然 后再用这个已调频波对光载波进行强度调制，使光波按副载波 信号的变化而变化。这是因为在传输过程中，尽管大气感染波 会直接叠加到光信号波上，但经调节后，其信息是包含在调频 的副载波上，故其信息不会受到干扰，可以无失真地再现原来 的信息。
【图文】光电子技术3.3 声光调制
可分离条件为：为高斯光束腰部直径，τ为声束穿越光束的度越时间。
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五. 声束和光束的匹配声光布喇格衍射型波导调制器结构示意图如图4所示。
相对于声波波前以入射的波导光波穿过输出棱镜时，得到与入射光束成角的1级衍射光。
其光强为
：在电场作用下导波光通过长度为L距离的相位延迟；B是一比例系数，它取决于波导的有效折射率neff等因素。
上式表明，衍射光强I1随电压V的变化而变化，从而可实现对波导光的调制。
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ks 入射光衍射光声表面波电声换能器 L 波导层 y切割LiNbO3衬底图4 声光波喇格波导调制器 2013-8-14 共29页。
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若取 i
nw 0
, 则B
2 nw 0
调制带宽
(f
)m
1 2
(2)电—声换能器(又称超声发生器)
Laser i n
Laser ou t
吸声装置
(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。
声光调制器结构
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。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。 由前面分析可知，无论是拉曼—纳斯衍射，还是布拉格 衍射，其衍射效率均与附加相位延迟因子ν＝2πΔnL／λ有关， 而其中声致折射率差Δn正比于弹性应变幅值S，而S∝声功率Ps， 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 将随之做相应的变化。
允许的声频带宽与布喇格角的可能变化量之间的关系
为：
f s
2nvs
c os B
B
设入射光束的发散角为i，声波束的发散角为，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
i
2 nw0
,
s
D
w0：入射光束束腰半径；n：为介质的折射率；D：声束宽度。
入射角覆盖范围 i (参见教材104页图3 16)
各级衍射的方位角为（最大值的位置） ：
s in m
m ks ki
m s
(m 0, 1, 2,)
各级衍射光的强度为：
Im
J
2 m
(v),
v
(n)ki L
2
nL
衍射效率为：
s
I1 Ii
sin
21 2
( 2
nL)
n 1 n3PS 2
P是声光晶体的弹光系数，S为声光晶体在声 场作用下的弹性应变幅值，与超声驱动功率 Ps 有关。改变Ps，一级衍射光的强度将改变， 可以实现对光强的调制。
拉曼-纳斯衍射
产生拉曼-纳斯衍射的条件：当超声波频率较低，光波平行于
声波面入射，声光互作用长度L较短时，在光波通过介质的时
间内，折射率的变化可以忽略不计，则声光介质可近似看作 为相对静止的“平面相位栅”。
拉曼-纳斯衍射的特点 ：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。
复习相关知识
声光晶体等价于一个相位光栅
声波在介质中传播时，使介质产生弹性形变，引起介 质的密度呈疏密相间的交替分布，因此，介质的折射率也随着 发生相应的周期性变化。这如同一个光学“相位光栅”，光栅
常数等于声波长s。当光波通过此介质时，会产生光的衍射。
衍射光的强度、频率、方向等都随着超声场的变化而变化。
I1 s Ii
M2为声光材料的品质因数，Ps超声功率；H为换能器的宽 度，L为换能器的长度。同样的改变超声功率，也可以达到改
变一级衍射光的强度。
3.3 声光调制(Acousto-optical Modulate)
一. 声光调制器的工作原理
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。
I1 s Ii
布喇格衍射
产生布喇格衍射条件：声波频率较高，声光作用长度L较大，
光束与声波波面间以一定的角度斜入射，介质具有“体光栅” 的性质。
布喇格衍射的特点：衍射光各高级次衍射光将互相抵消，只出 现0级和+1级（或1级）衍射光 。
衍射效率为：
s
I1 Ii
s
in
2
L 2
L H
M 2 Ps
对于布拉格型衍射，其衍射效率由前面的式给出。布拉 格型声光调制器工作原理如(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)；
式中的cosθB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，衍射光强也就受到调制了。布拉
格衍射必须使入射光束以布拉格角θB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。布拉格衍射 由于效率高，且调制带宽较宽，故多被采用。
二. 调制带宽
调制带宽是声光调制器的一个重要参量，它是衡量能否 无畸变地传输信息的一个重要指标，它受布喇格带宽的限制。
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展，因此，在一个有限的声频范 围内才能产生布拉格衍射。
入射光
衍射光 调制信号
图2 声光调制器布喇格型
Id(fm)
t
0
PS1/2
Ps
fm(Is)
声光调制特性曲线 布拉格声光调制特性曲线与电光强度调制相似。由图可以看出： 衍射效率η与超声功率Ps只是非线性调制曲线形式，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Vλ /4 = Vπ/2 ），使其工作在线性较好的区域。
他级的衍射光遮挡，则从光栏孔出射的光束就是一个随ν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,
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—纳斯型声光调制 器只限于低频工作，只具有有限的带宽。
(2)、布喇格型声光调制器 布喇格型声光调制器工作原理如图2所示。
调制信号是以电信号(调辐)形式作用于电-声换能器上， 电-声换能器将相应的电信号转化为变化的超声场，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。
声光体调制器的组成
声光体调制器是由声光介质、电—声换能器、吸声(或反 射)装置及驱动电源等所组成。
(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。
(1)、拉曼-纳斯型声光调制器
调制器的工作原理如图1(a) 所示，工作声源频率低于10MHz。 只限于低频工作，带宽较小。
入射光
衍射光
调制信号图1 拉曼-Fra bibliotek斯型声光调制器
对于拉曼—纳斯型衍射，工作声频率低于10MHz，图
(a)示出了这种调制器的工作原理，其各级衍射光强比例
于
J
2 n
(
)
。若取某一级衍射光作为输出，可利用光栏将其