第八讲--声光调制知识讲解

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一、器件结构与功能
(3)耦合介质
在换能器和声光介质之间夹一层耦合介质， 一般铟或铟锡合金。 作用： （1）使声光介质和换能器的阻抗接近—过渡介质， 减少声反射损耗； （2）把换能器粘在介质上，因为换能器d小，几 十微米； （3）作为换能器的电极。
吸声装置
声光调制器结构
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一、器件结构与功能
(4)吸声(或反射)装置(放置在超声源的对面)
G ks 2 L /k ico i s 2L /2 sco i s
G （拉曼-纳斯衍射区）
当工作频率较高时，最大允许长度 太小，要求的声功率很高，因此只限 于低频和有限的带宽内工作。
fs
引入一参数 M 1 n 7 P 2 /v (s) n s 2M v 2 选 才能择允M1许大f的s变材化料范使围Δ大fs大，
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一、器件结构与功能
(பைடு நூலகம்)声光介质
声光介质材料选择要求
（3）承受高的光功率密度 目前的几种介质，M1和M2大的材料，易于损坏。
（4）声的吸收系数要小，与换能器阻抗匹配，光学均匀性好。 目前采用熔凝石英多，M2虽不高，但其他指标都满足此要求。 而其他：重火石玻璃—— M2 ↑，透光好，便宜；钼酸铅——M2 ↑，但损
声致折射率差Δn正比于弹性应变幅值S 而S∝声功率Ps
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
s
I1 Ii
si2n
2
H LM2Ps
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二、工作原理
（1）拉曼-纳斯型
入射光
衍射光
由于衍射效率低，光能利用率低，根 据判据
调制信号 拉曼-纳斯型声光调制器 fs<10MHz，低频，带宽较小
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一、器件结构与功能
(2)电—声换能器(又称超声发生器)
1) 换能器晶片产生振动
由于反压电效应，产生振动变形。但由于晶体 的对称性，大部分压电应变系数为0。例如石英晶体 （只有两个独立压电应变系数d11和d14）
如果在x方向加电场，会在x方向上振动。当电场的频率等于晶片的固 有频率时，振动达到最大值——转换效率最高。 忽略横向振动，在y-z向存在应变，但晶体的厚度d是微米量级，y变形小。
耗大，调制效率低。
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一、器件结构与功能
(1)声光介质
声光介质材料选择要求
（5）材料尺寸的确定
L的确定，根据布拉格和拉曼纳斯衍射的判据
布拉格衍射： L 3 ~ 42s
i
拉曼纳斯衍射：
L
2 s
i
声光介质考虑：
调制效率、调制带宽、光学性 能、尺寸。
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一、器件结构与功能
(2)电—声换能器(又称超声发生器)
《光电子技术》
Photoelectronic Technique
第八讲 声光调制 周自刚
本讲主要内容 一、器件结构与功能 二、工作原理 三、性能指标 四、波导调制器
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一、器件结构与功能
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(调幅)形式作用于电声换能器上，将相应的电信号→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。
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一、器件结构与功能
(1)声光介质
声光介质材料选择要求
（1）应使调制器的衍射效率高，而需要的声功率小。 衍射效率——规定输出的光强与输入光强之比，也叫调制效率。
如对于1级输出光强，在同样的输入功率下，输出光强大，ηs大。
s
I1 Ii
si2n
2
H LM2Ps
M2
n6P2
v
3 s
——介质的品质因数
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一、器件结构与功能
(2)电—声换能器(又称超声发生器)
2)换能器的电性能（驱动源和换能器联接） 虽然是机械振动，但它是由电驱动，一般用一个电感、电容、电阻组 成的等效电路表示。
3)机电耦合系数k 换能器把电能转变为机械振动能（或者说转变成超声波多少的参 数）—材料选择的参数。加在换能器上的电能只有一部分转变为振动能， 其他消耗在晶体中。 不同的晶体k不同，选k大的晶体，电声转换效率高（例如石英k=0.1）。
声光体调制器：声光介质、电—声换能器、耦 合介质、吸声(或反射)装置及驱动电源等组成。
吸声装置
声光调制器结构
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一、器件结构与功能
(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，利用超声波强度 的变化→衍射光强的变化，可以制成光强度调制器。
在ηs一定时
M2
Ps
因此，应选择大的声光材料，提高衍射（调制）效率，降低声功率。
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一、器件结构与功能
(1)声光介质
声光介质材料选择要求
（2）调制器有大的调制带宽
依据什么公式 得到的？
布拉格条件
sinB
2s
2nvs fs
, s ——光波和声波的中心波长
2ds iB n2ss iB nk
当光波和声波有发散角时，只允许在一有限的声频 范围才产生布拉格衍射，频率带宽Δfs 与布拉格角θB可 变量之间的关系为
利用某些压电晶体（石英、LiNbO3等）或压电半导体(CdS、ZnO 等）的反压电效应，在外加电场作用下产生机械振动而形成超声波， 将调制的电功率转换成声功率。
换能器有两作用系统：外加调制电源和进行机械振动。
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一、器件结构与功能
(2)电—声换能器(又称超声发生器)
Δ反压电效应：在晶体表面沿着电场 方向施加电压，在电场作用下引起晶体 几何形状应变，电压方向改变，应变方 向亦随之改变，形变与电场电压成比例， 这种因电场作用而诱发的形变效应，也 称为逆压电效应。
在行波结构中加吸收器吸收传播来的声 波，使之不反射。
在驻波结构中加反射器反射传播来的声 波，以便形成驻波。
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一、器件结构与功能
(5)驱动电源
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。
吸声装置
声光调制器结构
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二、工作原理
拉曼—纳斯衍射 布拉格衍射
ηs与附加相位延迟因子ν＝2πΔnL／λ有关
fs 2nvs cosBB
k 1
n fss vs
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一、器件结构与功能
(1)声光介质
声光介质材料选择要求
（2）调制器有大的调制带宽
调制带宽——取1级衍射光强下降到中心频率时衍射光强的一半所对应 的频率变化，由超声波的频率变化引起。
经验公式
n
v
2 s
f s
1.8nvs2
Lf s
fs—调制频率, L—介质长度, vs—声速。