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。

激光光波的电场强度是e c=A c cos(ωc t+фc)，式中，A c为振幅，ωc为角频率，фc为相位角。既然激光具有振幅、频率、相位、强度、偏振等参量，如果能够利用某种物理方法改变光波的某一参量，使其按调制信号的规律变化，那么激光就受到了信号的调制，达到“运载”信息的目的。实现激光调制的方法很多，根据调制器和激光器的相对关系，可以分为内调制和外调制两种。内调制是指加载调制信号是在激光振荡过程中进行的，即以调制信号去改变激光器的振荡参数，从而改变激光输出特性以实现调制。例如，注入式半导体激光器是用调制信号直接改变它的泵浦驱动电流，使输出的激光强度受到调制（这种方式也称为直接调制）。还有一种内调制方式是在激光谐振腔内放置调制元件，用调制信号控制元件的物理特性的变化，以改变谐振腔的参数，从而改变激光器输出特性。内调制主要用在光通信的注入式半导体光源中。外调制是指激光形成之后，在激光器外的电路上放置调制器，用调制信号改变调制器的物理特性，当激光通过调制器时，就会使光波的某参量受到调制。由于外调制的调整方便，而且对激光器没有影响，同时外调制方式不受半导体器件工作速率的限制，故它比内调制的调制速率高（约高一个数量级），调制带宽要宽得多，所以在未来的高速率、大容量的光通信激光信息处理应用中，更受人们的重视。

激光调制技术为光通信、光信息处理等应用提供了很好的信息载波源，随着各种调制技术的发展，特别是近十几年来，国内外对空间光调制器的研究和发展，大大推动了光通信、实时光信息处理、光计算、光存储等应用技术的迅猛发展。

（二）声光调制的物理基础

1，弹光效应

若有一超声波通过某种均匀介质，介质材料在外力作用下发生形变，分子间因相互作用力发生改变而产生相对位移，将引起介质内部密度的起伏或周期性变化，密度大的地方折射率大，密度小的地方折射率小，即介质折射率发生周期性改变。这种由于外力作用而引起折射率变化的现象称为弹光效应。弹光效应存在于一切物态。

弹光效应可以用于描述光电效应类似的方法描述，即表示为

KL ijkl ij S p n =⎪⎪⎭

⎫

⎝⎛∆21 (2.1) 式中⎪⎪⎭

⎫

⎝⎛∆21ij n 表示介质的逆介电张量的增量，KL S 为应变张量，ijkl P 为弹光系数量。(2.1)式中只考虑了弹光效应的线性项而忽略了高次项。这是因为弹光效应的高次项较之线性项(kl S 正常为5

10-量级)为更小的量。考虑到应变张量kl

S 和介质电张量的增量⎪⎪⎭

⎫

⎝⎛∆2

1ij

n 皆为对称张量，(2.1)式可简化为 n ij m

s p n =⎪

⎭⎫

⎝⎛∆21 （m,n = 1，2，…，6） (2.2) 于是可将(2.1)式写成如下矩阵形式

⎪⎪⎪⎪

⎪⎪

⎪⎪⎭

⎫ ⎝⎛⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎭

⎫ ⎝⎛∆∆∆∆∆∆6543216665

64

63

62

61565554535251464544434241363534333231

262524232221

161514131211262524232221111111S S S S S S p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p p n n n n n n (2.3) 当介质存在应变力时，其折射率椭球方程为

11122=⎥⎥⎦⎤

⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∆+j i ij ij

x x n n (2.4)

弹光系数张量p ij 的36个分量的取值及各分量之间的关系和介质的结构对称性有关。下面以铌酸锂(LiNbO 3)为例。铌酸锂晶体属于三方晶系，3m 晶类。其弹光系数矩阵为

ij p = 111213141211131313

334141

444441

14

111200

000000

00000001

000

()2p p p p p p p p p p p p p p p p p p ⎛⎫

⎪ ⎪

⎪ ⎪- ⎪

⎪ ⎪

⎪- ⎪⎝

⎭

(2.5)

假设有平行于x 轴方向的单向张应变力作用于晶体，并设由此产生的应变量为s 1。在应力作用下，折射率椭球发生了变化。根据三方晶系

的弹光系数矩阵可写出

=⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡∆∆∆∆∆∆262524232221111111n n n n n n ⎥⎥⎥⎥

⎥⎥⎥⎥⎦

⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣

⎡--)(21

000000000

000

000

0121141

41

4444414133131313111214131211

p p p p p p p p p p p p p p p p p p ⎥⎥⎥⎥⎥⎥

⎥⎥⎦

⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡000001s (2.6)

由此得出