第八讲声光调制

,西南科技大学,School of Science,Southwest University,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,西南科技大学,School of Science,Southwest University,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,西南科技大学,School of Science,Southwest University,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,西南科技大学,School of Science,Southwest University,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,西南科技大学,School of Science,Southwest University,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,西南科技大学,School of Science,Southwest University,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,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,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。,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。,一、器件结构与功能,30,声光调制器结构,吸声装置,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。,(1),声光介质,一、器件结构与功能,29,(1),声光介质,（,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，,s,大。,声光介质材料选择要求,介质的品质因数,在,s,一定时,因此，应选择大的声光材料，提高衍射（调制）效率，降低声功率。,一、器件结构与功能,28,(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,布拉格条件,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,f,s,与布拉格角,B,可变量之间的关系为,一、器件结构与功能,27,依据什么公式,得到的？,光,波,和声波的中心波长,(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,f,s,调制频率,L,介质长度,v,s,声速。,引入一参数,选择,M,1,大的材料使,f,s,大，才能允许,f,s,变化范围大,一、器件结构与功能,26,(1),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，,M,1,和,M,2,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，,M,2,虽不高，但其他指标都满足此要求。,而其他：,重火石玻璃,M,2,，透光好，便宜；,钼酸铅,M,2,，但损耗大，调制效率低。,一、器件结构与功能,25,(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：,拉曼纳斯衍射：,声光介质考虑：,调制效率、调制带宽、光学性能、尺寸,。,一、器件结构与功能,24,(2),电,声换能器,(,又称超声发生器,),利用某些压电晶体（石英、,LiNbO,3,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,。,一、器件结构与功能,23,(2),电,声换能器,(,又称超声发生器,),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,。,一、器件结构与功能,22,(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,d,11,和,d,14,）,一、器件结构与功能,21,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。,(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。,一、器件结构与功能,20,3),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,）。,一、器件结构与功能,19,(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,。,声光调制器结构,吸声装置,一、器件结构与功能,18,(4),吸声,(,或反射,),装置,(,放置在超声源的对面,),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。,(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。,一、器件结构与功能,17,声光调制器结构,吸声装置,拉曼,纳斯衍射,二、工作原理,16,布拉格衍射,s,与附加相位延迟因子,2,nL,有关,声致折射率差,n,正比于弹性应变幅值,S,而,S,声功率,P,s,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,（,1,）拉曼,-,纳斯型,f,s,10MHz,，低频，带宽较小,入射光,衍射光,调制信号,拉曼,-,纳斯型声光调制器,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。,由于衍射效率低，光能利用率低，根据判据,二、工作原理,（拉曼,-,纳斯衍射区）,15,衍射光,调制信号,入射光,声光调制器布喇格型,（,2,）布喇格型,t,P,s,I,d,(,f,m,),f,m,(,I,s,),0,PS,1/2,声光调制特性曲线,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,V,/4,=,V,/2,），使其工作在线性较好的区域。,二、工作原理,14,在声功率,P,s,(,或声强,I,s,),较小的情况下，衍射效率,s,随声强度,I,s,单调地增加,(,呈线性关系,),必须使入射光束以布拉格角,B,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。,（,2,）布喇格型,二、工作原理,13,（,1,）调制带宽,调制带宽是,衡量能否无畸变地传输信息,的一个重要指标，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，用（,f,）,m,表示。,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。,三、性能指标,允许的声频带宽与布拉格角的可能变化量之间的关系为：,12,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,w,0,：入射光束束腰半径；,n,：为介质的折射率；,D,：声束宽度。,（,1,）调制带宽,三、性能指标,11,如果考虑两束最边界的衍射光发生重叠,入射角覆盖范围应为,带宽与声波穿过光束的渡越时间（,w,0,/,v,s,),成反比，即与,光束的直径,(,w,0,),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。,即最大的调制带宽 近似等于声频率,f,s,的一半。因此，大的调制带宽要采用高频布喇格衍射才能得到。,（,1,）调制带宽,三、性能指标,10,因此要求,（,2,）衍射效率,要得到衍射效率,s,=100,，所需要的声强度为,所需的声功率,三、性能指标,9,声光材料品质因数,M,2,越大，获,100%,的衍射效率所需声功率越小。则电声换能器的截面应做得长（,L,大）而窄（,H,小）。,f,0,：声波中心频率,表征声光材料的调制带宽特性的品质因数,M,1,值越大，声光材料制成的调制器所允许的调制带宽越大。,（,2,）衍射效率,三、性能指标,8,虽然增大作用长度,L,会提高衍射效率，但是，也会导致,调制带宽的减小,假如声波的发散角,会得到,提高布拉格声光调制器衍射效率的途径：,1,、选择,声光性能指数,（材料常数或优值）的声光介质；,2,、声光介质的,长度（,L,),足够长,、,宽度,(,H,),窄,和,适当增加声功率,P,s,。,注意：,功率过高会导致器件过热，从而影响器件的工作性能和可靠性。,（,2,）衍射效率,三、性能指标,7,（,3,）声束与光束的匹配,为了充分利用声能和光能，认为声光调制器比较合理的情况是工作于声束和光束的发散角比。,提高衍射光的,消光比,希望衍射光尽量与,0,级,光分开,要求衍射光中心和,0,级光中心之间的,夹角大于,2,，即大于,8,/,d,0,。由于衍射光和,0,级光之间的夹角（即偏转角）等于,三、性能指标,6,不是超声能量边缘浪费，就是不满足布拉格条件而不被衍射。,调制器性能最佳。,可分离条件为,:,D,0,：高斯光束腰部直径,：,声束穿越光束的度越时间,（,3,）声束和光束的匹配,三、性能指标,5,最佳发散角比的条件,实际应用中就可以选择合适的聚焦透镜焦距,四、波导调制器,4,i,d,k,s,入射光,衍射光,L,声表面波,电声换能器,波导层,y,切割,LiNbO,3,衬底,声光布拉格型波导调制器,布拉格型波导调制器由,平面波导,和,交叉电极换能器,组成。,波导衬底材料采用压电材料（如,LN,等）目的：激起表面弹性波。,采用,Ti,扩散,形成波导。,用,光刻,方法在表面形成交叉电声换能器。,波导光与电极板条间的夹角满足,布拉格角,B,，换能器产生的,超声波引起波导和衬底折射率周期变化,。,四、波导调制器,其光强为,