《声光调制的原理及应用》

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。
若超声频率（即加在调制器上的信号频率）为fs 时，则声光栅出现或消失的次数为2fs，因而调 制光的频率为2fs（为超声频率的二倍）。
式中 v=2π/λΔnL
是光波穿过厚度为L的超声场所产生的相位延迟。
3 声光调制器
声光调制器是由声光介质、电声换能器、吸声（或反射） 装置及驱动电源等组成。
而作为声光调制器来说，无论属于哪种类型（喇曼－奈 斯型衍射或布喇格型衍射），调制器都有两种工作方式， 一种是将零级光束作为输出；另一种是将1级衍射光束 作为输出。当声波振幅随着调制信号改变时，各级衍射 光的强度也将随之发生相应变化。若将某一级衍射光和 为输出，利用光阑将其它衍射级遮拦，则从光阑孔出射 的光束就是调制光。所以，如果用频率为f的信号电压加 在电声换能器上，由此在声光介质中形成超声场的频率 为fs，当光波通过该调制器时，将产生一个频率为2fs的 调制光。
声光锁模器实质上是频率非常稳定的超声 驻波与激光束相互作用的一种声光调制器。 如果声光锁模器的调制频率与激光腔的纵 模频率间隔完全相等，这样激光腔的各个 纵横便受到周期性的调制并保持相同的相 位。经过不断耦合，激光器的输出就是一 系列脉宽极窄的规则脉冲序列。
声光调制的发展
随着激光技术的发展，声光调制的应用越 来越多的拓展到各个行业当中。
声光调制的原理
1 超声波在声光介质中的作用 2 声光作用 ①喇曼－奈斯衍射 ②布喇格衍射 3 声光调制器
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Vs 向前推进 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
什么是声光调制
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。
声光调制的应用
气体激光，特别是氩离子激光，由于离子 跃迁的特殊性，频域参量几乎完全随即变 化，表现为各模式幅度的剧烈起伏和随机 消失，给锁模技术带来一定困难，采用调 制作用较强的铌酸锂石英，声光调制系统， 能够实现氩离子激光锁模，获得亚毫微秒 超短激光脉冲。这种锁模氩离子激光已用 于同步泵浦环形染料激光器。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
n(x)=n0-ΔnsinKsx
λssinθ=±mλ
式中λs为超声波波长；λ为入射光波长。 其各级衍射的光强值为：
Im=Jm2(v)

v=2π/λΔnL
上式中Jm2(v)为m阶贝塞尔函数；v表示由于折射率变化Δn而引起的被调制光束的相位变化。
②布喇格衍射
当超声波频率较高，且声光介质较厚时，入射光 线以一定角度（θi）入射，则产生布喇格声光衍 射（如图4所示）。布喇格声光衍射的衍射光不 是对称分布的，当光以某一特定角度入射时，较 高阶衍射可以忽略，只出现零级和＋1级或－1 级（视入射光方向而定）衍射光。若能合理选择 参数，超声波足够强，可使入射光能量较集中地 转移到零级和＋1级（或－1级）衍射极大值上。 因而光束能量可以得到充分的利用，获得较高的 效率。
声光调制的原理及应用
物理科学学院光子学中心 030145 彭灏
序言
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。 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）。
参考文献
《现代物理知识（声光调制原理及应用）》
《Ar离子激光声光调制锁模》 《预（光）刻伺服录写装置中 基于计算机控制的激光声光调制系统》 曹德明
曹跃祖
黄忠德
贾连兴 张江陵
黄上游 周建业
图1
2 声光作用
按照超声波频率和声光介质厚度的不同， 将声光作用可以分为两种类型，即喇曼－ 奈斯衍射和布喇格衍射。
①喇曼－奈斯衍射
在超声波频率较低，且声光介质的厚度L 又比较小的情况下，当激光垂直于超声场 的传播方向入射到声光介质中时，将产生 明显的喇曼－奈斯声光衍射现象，如图2 所示。在这种情况下，超声光栅类似于平 面光栅，当光通过时，将产生多级衍射， 而且各级衍射的极大值对称分布在零级条 纹的两侧，其强度依次递减。
图2
图3
设超声波波长为λs，波矢量Ks指向x正方向，而入射光波矢量Ki指向y轴正方向，
两者呈正交（如图3所示）。
由于介质的折射率发生周期性变化，所以会对入射光束的相位进行调制。出射的光波已不再是平 面波，其等相面是一个由n(x)决定的皱折曲面。其各级极大值的衍射角θ应满足公式： 当应变较小时，并暂时略去时间t的依赖关系，则折射率随空间位置x的变化关系为：
图4

当光束以入射角θi射入声光介质中时，由镜面产生反射， 而衍射光干涉，极大值应满足条件： Δ=mλ(m=0、±1、±2……）。 2λssinθB＝λ 式中θB称为布喇格角。
只有入射角θi满足上式的入射光波，才能在θi＝θd方向上 得到衍射极大值。这个式子通常称为布喇格衍射公式。 可以证明，当入射光强为Ii时。布喇格衍射的零级与1级 的衍射光强可分别表示为： I0=Iicos2v/2 I1=Iisin2v/2
预（光）刻伺服磁道技术的研究，利用激光微斑 记录特性使磁盘存储器的道密度得到大幅提高， 而在预（光）刻伺服录写装置中，一个重要的任 务就是对激光束进行光强调制集光脉冲调制。而 通常采用的既是声光调制。 激光印刷机中，激光束的偏转调制器就是应用声 光调制布拉格衍射原理实现的。利用高频驱动电 路可以产生高频电振荡，通过超声转换能器形成 超声波，通过快速控制超声波，实现声光器件调 制激光束的目的。
在军事上，它也有广泛应用。例如一种新式探测 器：雷达波谱分析器。空军飞行员可以利用它分 析射到飞机上的雷达信号来判断飞机是否被敌方 跟踪。外来的雷达信号与本机内半导体激光器产 生的振荡信号经混频、放大后，驱动声光调制器， 产生超声波，当外来信号变化时，超声波长也变 化，衍射光的角度也变化，反映在二极管列阵上， 我们可以很容易的识别敌方雷达信号。