（光学工程专业论文）光纤的声光特性研究.pdf

1 r 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 论文使用授权 b 辉箩月易日 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 日期：劲年妇哆日 、 t 摘要 摘要 本论文研究了光纤的声光特性，主要提出了一种新的声光调q 的方法，利用 换能器阵列进行连续声光衍射来实现调q ，并因此而设计了实验。 本文从声波和光波在介质中的耦合波方程出发，利用动量匹配和动量失配分析 了介质中的声光互作用规律，分析了声光正常布拉格衍射时的声光衍射效率。从 衍射效率的公式中可看出，增大超声波功率或者增大换能器的长度或者减少换能 器的宽度，都可增加声光衍射效率。因此实验要根据这几点来设计。 另外，为了验证实验的可行性，本文用a n s y s 仿真软件做了一个简单的关于 光纤在声场中受力的仿真模型。在模拟中发现当声功率加很高时光纤的纤芯会发 生震裂的现象，因此，超声波功率又不能够加的太大。这样，合适的超声波功率 以及适当的超声换能器尺寸都必须做出严格的计算。 因此接下来，利用了传输线的马森等效电路理论，计算并结合实际情况确定了 压电换能器的结构、材料以及换能器的长度、宽度和厚度，以及各镀层的实际厚 度。 根据上述的工作以及对国内目前研究现状的分析，设计了实验方案。在实验过 程中，设计并制作了射频信号电路，并编写了控制软件，使整个实验实现自动化 控制。然后搭建了实验系统并测了数据，最后对实验结果进行了分析。 关键词：光纤声光耦合换能器声光调q _ 了 - i 1。-。_。_。_-1_。_。i_。_-i_i-。_-。-。_-_i_1i-。_一 a b s t r a c t a bs t r a c t b ys t u d y i n ga c o u s t o - o p t i c a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h eo p t i c a lf i b e r , al l e wq - s w i t c h e d m e t h o di sp r o p o s e da n dt h ec o r r e l a t i v ee x p e r i m e n t sa l ed e s i g n e d b e g a n w i t ha c o u s t o o p t i ci n t e r a c t i o nc o u p l e dw a v ee q u a t i o na n du s et h et h e o r yo f t h em o m e n t u mm a t c ha n dm i s m a t c hb e t w e e nt h ep o l a r i z a t i o nw a v ea n dt h ef r e ew a v e s o fm e d i u m ，a c o u s t o o p t i ci n t e r a c t i o nl a wa n dt h ed i f f r a c t i o ne f f i c i e n c yf o r m u l ai s a n a l y s i s e d f r o mt h ed i f f r a c t i o ne f f i c i e n c yf o r m u l a , i tc a nb ef o u n dt h a ti no r d e rt o i m p r o v ed i f f r a c t i o ne f f i c i e n c y , u l t r a s o n i cp o w e ra n dt h el e n g t ho ft r a n s d u c e r , a n d d e c r e a s eo ft h ew i d t ho ft r a n s d u c e rc a nb ei n c r e a s e d t h e r e f o r e ，t h ee x p e r i m e n ts h o u l d b ed e s i g n e da c c o r d i n gt ot h ep o i n t sm e n t i o n e da b o v e i na d d i t i o n , t ov e r i f yt h ef e a s i b i l i t yo ft h ee x p e r i m e n t , a n s y ss i m u l a t i o ns o f t w a r e w a su s e dt od oas i m p l eo p t i c a lf i b e ri nt h es o u n df i e l do nt h ef o r c eo ft h es i m u l a t i o n m o d e l a c c o r d i n gt ot h em o d e li tc o u l db ef o u n dt h a tw h e nt h ea c o u s t o p o w e ri s i n c r e a s e dt oah i g h e rn u m b e r , t h e nt h ef i b e rc o r ei ss h a t t e r e da n d , t h e r e f o r e ，u l t r a s o n i c p o w e rc a nn o tb ea d d e dt o om u c h t h u s ，a p p r o p r i a t eu l t r a s o n i cp o w e ra n dt h e a p p r o p r i a t et r a n s d u c e rs i z em u s tb em a d es t r i c t l yc a l c u l a t i o n s a c c o r d i n gt ot h et r a n s m i s s i o nl i n eo fm a s o ne q u i v a l e n tc i r c u i tt h e o r y , t h em e t a l l i c m e m b r a n ep l a t i n gs t r u c t u r eo f p i e z o e l e c t r i ct r a n s d u c e ri sd e t e r r n i n a t e d t h e n , t h el e n g t h ， w i d t ha n dt h i c k n e s so f p i e z o e l e c t r i ct r a n s d u c e ra r ec a l c u l a t e d b a s e do i lt h ea b o v ew o r ka n dt h es t a t u so fc u r r e n tr e s e a r c ho nt h ei n t e m a , an e w m e t h o do fu s i n gp i e z o e l e c t r i ct r a n s d u c e ra r r a y sw a sp r o p o s e dt oa c h i e v eac o n t i n u o u s a c o u s t o - o p t i cd i f f r a c t i o nq s w i t c h , d e s i g n e da l le x p e r i m e n t a lp r o g r a m ，d e s i g n e da n d p r o d u c e dr fs i g n a lc i r c u i t r y , a n dt op r e p a r et h ec o n t r o ls o f t w a r e , s ot h a tm a k et h e p r o c e s so fa l le x p e r i m e n tt ob ea u t o m a t i c t h e nt h ee x p e r i m e n t a ls y s t e mc a l lb es e tu p a n dt e s td a t ac a nb et e s t ，a n df i n a l l yt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sw e r ea n a l y z e d k e y w o r d s ：f i b e r , a c o u s t o o p t i cc o u p l e d ，p i e z o e l e c t r i ct r a n s d u c e r , q - s w i t c h n 目录 目录 第一章概述。1 1 1 研究工作的意义1 1 2 国内外研究动态2 1 3 光纤的声光调q 介绍5 1 4 具体研究工作9 1 5 本章小结。1 0 第二章光纤中的声光互作用理论1 1 2 1 声光互作用理论的研究1 1 2 2 耦合波方程理论14 2 2 1 声光互作用耦合波方程1 4 2 2 2 衍射光强变化以及分析1 7 2 3 光纤各部分在声波作用下的力学分析1 8 2 4 本章小结2 1 第三章光纤的声光调q 实验设计研究2 3 3 1 理论分析2 3 3 1 1 声光调q 技术基本原理2 3 3 1 2 入射声波的频率2 4 3 1 3 入射声波的功率密度2 5 3 2 连续声光衍射调q 实验设计2 7 3 2 1 方案的提出2 7 3 2 2 阵列换能器聚焦及扫描分析2 8 3 3 实验方案31 3 - 3 1 换能器的设计一3 2 3 3 2 射频信号发生电路设计4 0 3 3 3 光收发模块4 2 3 3 4 控制软件的实现4 2 3 3 。5 实验系统搭建以及实验分析4 5 3 3 6 实验数据测量4 7 3 3 7 实验结果分析5 0 i i i 目录 3 4 本章小结5 l 第四章总结与展望5 2 致谢5 4 参考文献5 5 附录5 8 攻读学位期问的研究成果6 2 i v 第一章概述 1 1 研究工作的意义 第一章概述 光纤的声光效应涉及了多门学科的交叉融合，包括纤维光学、纤维声学以及 压电学。基于这一复杂物理效应的全光纤声光器件对工艺以及实验要求都非常高， 但具有非常重要的意义。一方面，近些年发展起来的光纤导声波和光纤光学导波 模式之间的相互作用在一定程度上对声光效应进行了丰富和发展，具有重要的理 论意义；另一方面，这种类型的声光器件具有很高的应用研究价值，可实现包括 信号调制、可调分柬、可调衰减、频移、全光纤声光开关、全光纤声光可调滤波 等多种功能。 全光纤器件具有诸多优点。在光通信技术和传感技术领域大量使用了光纤来 传输信息，也就是说在光纤里传输的光波中通常都携带着承载信息的已调制信号。 在传统的信号处理方式下，通常需要将光信号经过电端机转化成电信号，即利用 已经十分成熟的电子信息处理技术对由光信号转化而来的电信号进行各种类型的 信号处理，然后再经过电端机将处理后的电信号恢复为可传输的光信号并发送到 光纤中继续进行传输。而全光纤器件对光信号的处理方式和传统的处理方式相比 则要简单许多。全光纤器件不需要经过传统的处理方式那样的光电、电光转化过 程，可直接对光纤中传输的光信号进行各种类型的信号处理。全光纤器件的这种 处理方式将光纤的种种优势更加凸现出来。因此可说全光纤器件和光纤系统一样， 具有紧凑性、小型化、低损耗、可靠性高和强抗干扰性等优点。 全光纤声光器件研究的理论依据是声光效应。要使全光纤器件正常工作要求 自身能够将光信号有效地调制到光纤中去，最常用的光信号调制方式是电光效应和 声光效应。通过大量的实验，研究人员发现在对光纤中的光信号调制时采用声光 效应比采用电光效应具有更多的优势，主要的原因是基于常用通信光纤的特点。 因为，构成光纤的主要成分是熔石英，它的物理性质显示出它具有比较小的电光 效应，而具有比较明显的声光效应。这里的声光效应主要指弹光效应，即由于声 波的影响致使物质的折射率发生变化从而引起声波和光波之间的相互作用。经过 严格细致的推导可发现，在光纤中采用声光效应调制光信号远比采用电光效应调 制光信号的效果好，它的效率更高，频带更宽。 进行全光纤器件的研究具有重要的意义。目前已有的光信号调制器件一般都 电子科技大学硕十学位论文 是利用电光效应和声光效应对光信号进行各种类型的信号处理。通常需要先将接 收后待处理的光信号引入到一个体波器件中，光信号在这个器件中完成光信号的 信号处理，之后需要把处理后的光信号再耦合到光纤中继续进行传输。按照上述 处理方式在光纤信道中插入多个分立的元件的做法，毫无疑问会带来很大的损耗， 导致光信号的衰减，另外因为光纤的纤芯非常细，在插入各个分立的元件后对光 路的对接造成了很大的麻烦，并且还使得系统的可靠性降低以及工艺的难度加大。 由此可设想，在将来的全光通信系统的设计中大量采用光纤激光器、光纤放大器 以及全光纤调制器后，在光信号的发生、传输、中继和调制过程中将不再需要把 光信号先转化成电信号进行处理，而是直接处理光信号，这样的操作使得系统在 更高的程度上成为有机的一体。 进行新型全光纤通信的调制器件的研究对将来的相干光纤通信具有重要的意 义。当前条件下，光纤通信主要通过在发射端机进行强度调制和在接受端机进行 直接检测的方式进行，即所谓的非相干光通信手段。如果能够设计出新型的全光 纤调制器件，使得在光通信系统中，在发射端机中使用相干调制技术( 无线电通 信中广泛使用的一种调制技术) 并在接收端机中配合使用外差检测技术，这样不 但可对信号强度的要求大幅降低，从而使中继距离延长，而且可充分利用光波的 波分复用等技术以实现多路载波通信的目的。 1 2 国内外研究动态 光纤应用十分广泛。自从光纤于二十世纪六十年代末问世之后，现代光通信 技术有了实际的技术根据。在上世纪七十年代，光纤在降低能量损耗方面取得了 非常显著的进步，从而使十分实用的光纤能够实现作为通信媒介的目的。这是二 十世纪后半叶通信技术史上的一个重大事件。光纤巨大的实用性吸引了众多研究 人员更加努力地投入到对光纤进行进一步开发的工作中。自1 9 7 0 年传输损耗为 2 0 d b k m 的光纤被研究人员制造出以后，石英玻璃系的光纤损耗取得了相当大的 突破。在1 9 8 0 年，研究人员又制造出了在1 5 5 u r n 附近损耗小于0 2 d b k m 的光纤。 光通信中采用频率要比微波通信采用的频率高的多，所以在同等条件下，光通信 可得到比微波通信更高的带宽。光纤因其通信低损耗、强抗干扰性、轻便和高可 靠性等等的优势，还被大量应用于光纤传感器中，以测量各种特殊参量。光纤传 感器是在上世纪七十年代末发展起来的一项新兴传感技术，属于光纤在信号检测 技术领域中的应用。光纤传感器因其自身具备的结构紧凑性、使用安全性、信号 2 第一章概述 可进行远距离直接传输、强可靠性和强抗电磁场干扰性等诸多优点，具有十分广 泛的应用前景，目前已经可测量包括应变、压力、位移、电场、磁场等七十余种 物理量【1 】 【4 】。 光纤声光器件具有十分广泛的应用前景。所谓的声光器件是指利用声光互作 用对激光束进行控制的器件。早期的声光器件只能产生很小的频移和偏转角，因 而长期未能在非相干光技术方面得到实际应用。激光出现后，由于其具有较好的 单色性和方向性、较高的亮度以及较集中的激光束能量等诸多特点，极大地促进 了声光器件的研究。利用声光器件可快速而有效的控制激光束的频率、方向和强 度等各种特性。自二十世纪八十年代开始，有关各种类型的光纤声光器件的研究 就已开始进行，包括：光纤声光调幅器、光纤声光移频器、光纤调相器、光纤滤 波器、光纤激光锁模器、光纤抽头以及光纤开关等。 其中光纤声光调幅器、移频器和调相器作为处理光纤中光信号的调制器，其 功能对应于无线电技术中对电磁波信号进行的幅度调制、频率调制、相位调制这 三种调制方式。在光纤中实现这三种调制方式的工作原理如下所述：光纤声光调 幅器，利用声光互作用改变光纤芯区光信号的工作模式或改变光信号光路使之偏 折出纤芯，从而达到对采用该种传输模式的光信号进行强度调制的目的，亦即所 谓的振幅调制；光纤声光移频器，利用声光互作用改变光纤中传输的光波的工作 模式，达到对光能量在各模式间进行耦合从而达到对光信号进行频率调制的目的； 光纤调相器，通常仅针对单模光纤，利用声光互作用以改变光纤纤芯的折射率进 而促使光程变化从而达到对光信号进行位相调制的目的。为了实现光纤中光能量 在各模式之间进行耦合的目的，在不同情况下工作原理各不相同，如下所述：1 、 单模光纤，可利用能量在不同偏振模式之间的耦合来实现光信号的频移，其中不 同偏振模式可利用双折射光纤或者d 型光纤的不同模式实现；2 、双芯光纤，其中 两芯的半径或折射率以及传输模式各不相同，因此可利用声光互作用促使光信号 在两芯之间耦合从而实现光能量在各种不同模式之间的耦合转移；3 、双模光纤， 可利用光信号在不同本征模之间的耦合来实现能量的耦合转移。光纤声光抽头并 不需要切断光路，通过声光互作用促使光纤中传输的光信号的一部分偏折出光纤 并针对偏折出的这部分光信号进行信号检测或监控即可。 基于上述工作原理，还可制造高精度、高速的光纤开关，实现对光信号进行 控制和转换的功能。另外，基于声光互作用的光纤激光锁模器，由于其输出的光 脉冲信号在时间和峰值功率上较普通的未锁模激光器具有很大优势，在高速光通 信技术中也具有重要的作用。普通的光纤激光器将谐振腔内的各个谐振本征模的 j 厂l 、 电子科技火学硕十学位论文 随机相位值叠加后作为激光器输出功率的瞬时值，但是这个值波动很大。如果利 用声光互作用对谐振腔内各谐振本征模进行锁模处理，那么就可得到时间间隔和 峰值强度固定的光脉冲，而这样的光脉冲信号将非常有利于对后续的光信号进行 信号处理。 光纤声光器件的理论基础是声光学中的声光互作用理论。声光学是一个交叉 学科，其中的很多概念、理论和实验方法来自于邻近学科。关于声光互作用的研 究工作在二十世纪三十年代就早已经开始。研究人员发现当超声波通过各向同性 的介质时，它的折射率会因为内部产生的弹性应力和应变而进行周期性地变化。 当有光通过该介质时就会发生衍射。这种变化的效果就如同用超声波给介质添加 了一个光栅，使得光在介质中的传播特性发生改变。声光衍射现象在理论上和在 实验中分别在1 9 2 2 年、1 9 3 2 年被l n 布里渊、p j w 德拜与e w 席尔斯预言和证 实。但研究人员忽视了这种由衍射导致的微小光学变化。时隔近三十年，声光衍 射理论、新声光材料及高性能声光器件的设计与制造工艺等声光效应的研究才随 着激光的发展而得到进一步的发展，使得声光器件进入实用阶段。正常声光互作 用和反常声光互作用的理论和声表面波对导光波的声光衍射的实验分别被迪克逊 在1 9 6 7 年和1 9 7 0 年提出和实现，此外他还成功研制了表面( 或薄膜) 声光器件； 张以拯和林耕华分别建立并用动量匹配和失配等概念讨论了声光互作用的统一理 论，提出了声表面波的理论形式并开发了高性能的声光互作用材料。 声光技术具有广泛的应用空间。它促进了声光信号处理的发展。1 9 7 6 年后， 声光信号处理，作为光信号处理的一个分支，随着声光技术中表面波声光器件的 深入发展而产生并快速发展。由于电子技术的发展，电磁波信号变得很复杂多样， 其覆盖的频率范围越来越宽，脉冲的密度越来越大。复杂的电子环境对数据的采 集和信号的传输处理的技术都提出了很高的要求。采用宽带高效率的相阵布拉格 声光器件的声光技术可满足上述要求，并在结构上具备模拟和光学信号处理的最 优良的特性。多通道声光器件和以其为核心的声光频谱分析技术，提高了信号处 理的频带宽度和速度，被研究人员视为声光技术发展的新方向。1 6 路多通道声光 器件分别于1 9 9 7 年和1 9 9 8 年被俄罗斯和美国研制成功。 综上所述，完善的全光纤声光器件既可应用在高速的光纤通信中，诸如制成 全光调制器、波分复用器和光纤开关等，也能够应用于光纤传感和光纤激光器锁 模等领域，有着较为巨大的发展前景，因此对光纤声光器件的研究具有深远的意 义。 4 第一章概述 1 3 光纤的声光调q 介绍 光纤激光器调q 的技术按调q 控制技术，可分为主动调q 和被动调q 。在光纤激 光器主动调q 技术的研究中，采用了声光调q 、电光调q 、m e m s 微镜片、马赫曾 - 德尔( m z ) 干涉仪、声衰减振动、布拉格光纤光栅( b f g ) 调制等技术。主动调q 技术可很容易控制巨脉冲的重复频率，且脉冲输出功率高。但相对于被动调q 技术 ： 而言，脉冲的重复频率较低，且脉冲宽度较宽。被动调q 技术的研究中，采用了传 蝴昔克尔盒吸收技术( 吸收晶体包括c 0 5 + ：z n s e 、c p ：z n s e 、c r 4 + ：y a g 、 c 0 2 + ：m g a l 2 0 4 、c 0 2 + ：z n s 等) 、线性背向瑞利散射( r s ) 和受激布利渊散射 ( s b s ) 相关技术、液化镓非线性( l n g ) 镜等技术。被动调q 技术脉冲重复频率 高，脉冲宽度窄，但重复频率不易控制，且激光脉冲输出功率低。表卜1 为各种光 纤激光器调q 技术的性能【5 1 - 1 4 1 。 表1 - 1 各种光纤激光器调q 性能 序调q 方式峰值功重复频脉冲泵浦功 号率 率 宽度率 l 声光调制技术( 19 9 5 ) l0 w8 0 h z8 0 n s1 5 0 m w 2 电光调制技术( 1 9 9 9 ) 4 0 0 r o wl k h z1 4 u s 3m - z 干涉仪技术( 1 9 9 9 )2 6 w7 6 0 h z4 2 u s 4 声衰减调n ( 2 0 0 0 ) 5 0 7 w5 k h z1 5 0 n s2 9 0 m w 5 m e m s 微镜面( 2 0 0 0 ) 3 2 0 i n w2 0 k h z2 u s1 5 8 m w 6 布拉格光纤光栅调制( 2 0 0 5 ) 3 0 0 m w1 0 k h zl o o n s5 m w 7 分布式反馈光纤光栅调制( 2 0 0 5 ) 3 5 0 1 1 1 w1 0 k h z8 0 n s4 1 m w 8r s 和s b s 相关技术( 2 0 0 0 )2 0 0 w2 k h z1 0 n s8 0 m w 9 混合s b s 技术( 2 0 0 3 ) l o ( k w8 3 k h z5 n s 电子科技大学硕十学位论文 一 1 0 掺杂饱和吸收光纤技术( 2 0 0 3 15 m w 3 8 k h z3 u s2 7 3 m w 1 1 吸收晶体c 0 2 + ：z n s ( 2 0 0 3 )1 0 k w 5 k h z3 5 n s2 7 5 w 1 2 吸收晶体c 0 2 + ：z n s e ( 2 0 0 4 ) 4 5 m w2 3 5 k h z3 5 0 n s2 3 5 m w 1 3 普克尔盒吸收技术( 2 0 0 5 ) 5 3 k w2 5 k - - z7 5 n s1 0 w 一 、 1 4 ，吸收晶体c r 4 + ：y a g ( 2 0 0 6 ) 9 k w1 2 k h z3 n s2 5 w 、- 一 表1 - 1 中1 7 项为主动调q ，8 1 4 项为被动调q 。 普通声光q 开关的工作原理是：换能器将射频输入能量转换为超声波，超声波 在声光介质( 对1 1 t m 激光，熔融石英是声光介质的一种) 中传播( 可是行波场也可 在对面介质表面反射形成驻波场) ，由于声光介质的声光效应，声波场的周期性强 弱分布引起了光学介质的折射率的周期性分布，从而对其中传输的光形成一位相 光栅，使一部分光的传播方向产生改变。对于振荡激光来说，就成为损耗。只要 这个损耗足够大( 即谐振腔的品质因数q 值足够小) 就能阻止此时的振荡激光形成。 当突然撤除射频输入能量，没有超声波产生，声光介质中的位相光栅消失，谐振 腔的品质因数q 值突然升高，振荡激光产生一个调q 脉冲输出。 现在通用的双包层光纤激光器调q 方法是沿用传统调q 开关，将光纤中的振荡 激光准直后通过声光q 开关，然后再耦合回光纤中去。因此插入损耗很大，一般大 于2 d b 。 为了提高激光输出功率，需改进调q 技术，提出了全光纤调q 技术。全光纤调 q 技术是目前光纤激光器调q 技术发展的趋势。为了提高激光输出功率，需改进调 q 技术，提出了全光纤调q 技术。1 9 9 9 年南开大学利用光纤m - z 干涉仪可实现全光 纤调q ，如图卜1 所示结构。 图1 - 1 光纤m - z 干涉仪调q 系统图 6 第一章概述 这种方法结构复杂，调试困难，且不易获得大功率输出。2 0 0 0 年比利时f a c u l t e 工学院利用基于线性瑞利背向散射及受激布里渊散射原理实现了动态被动全光纤 调q ，如图卜2 所示。 o u t p u t2 图1 - 2 基于瑞利背向散射及受激布里渊散射的被动全光纤调q 系统图 此方法的光脉冲重复频率和光脉冲宽度不容易控制，且系统调整复杂。2 0 0 3 年法国c n r s u n i v e r s i t y 的研究者提出的饱和吸收光纤全光纤调q 系统如图1 3 所 示： r - - - - 参p s 图1 - 3 饱和光纤吸收全光纤调q 系统图 由于饱和吸收光纤的存在，使激光器不能工作于大功率条件下。声光效应也 可实现全光纤调q ，有很多机构直接利用声衰减来调q ，如图1 - 4 、图卜5 所示的 声调制光纤衰减器构成调q ： 9 8 01 1 1 1 1p u m pp i e z o e l e c t r i c t 壤l l 铽鼬懈 图1 - 4 声调制光纤衰减器( 作用于耦合光纤) 调q 系统图( 2 0 0 0 年，台湾大学) 7 电子科技大学硕士学位论文 图卜5 声调制光纤衰减器( 作用于增益光纤) 调q 系统图( 2 0 0 4 年， 蚴：v a l e n c i a 火学) 图卜6 为表面波声光全光纤调q 装置。 ii i 士i 圭t 蹯西j ，j j 簌l i j ；忡p 嘲= j j ：! 蛹l ；未l ；l 擞i ：擐! ：麟：|酲 聃年 ! 算 乏 勰差 ll湖雌濉熊 曩瓣 夏 t “ 斗：辛 蔓； | | ；i | | l ；| | ；| | | | | ；l ；：j 蟊 薹承i 例疆 垂譬竿落 l 车臀 三三 b ； 一- - t l l i e ，甍喑畸j 冀： ；：； 毒! ，j _ f - t 1 髓； 垦 鬻囊医舅磁l 嚣磊；装；蕃j i 峰 蠢茬蓬i 墓 十h ，： w j 厶： 鞲 疆； ：啼：+ ： 簿摹 戮 匹菠摆 薮骆：争： j - 图卜6 表面波声光全光纤调q 装置图( 2 0 0 0 年，北京工业大学) 图卜7 为体声波全光纤调q 装置。 露 虱i - 7 体声波全光纤调q 装置结构图( 2 0 0 0 年，北京工业大学) 8 第一章概述 以上这些全光纤调q 方案系统都较复杂，且大都不是直接应用到双包层光纤激 光器中( 除图卜4 所示结构外) 。图1 - 4 所示结构的声衰减器直接作用于增益光纤 ( 可对应于双包层光纤) ，这种调q 方法需要将包层用氢氟酸腐蚀大约3 0 n m ，利用 压电换能器驱动铝制圆锥，对光纤形成微扰，使光纤周期性微弯，从而引起纤芯 模与包层模之间的耦合，激光能量由纤芯向包层转移，即光通过这段光纤时发生能 量损耗。当损耗超过某值时，激光腔处于低q 值状态，不能形成激光振荡。这种方 法的优点是结构简单，但是由于是用机械装置直接将振动耦合到光纤局部的一点 上，在工作过程中，此点长期处于振动状态，会由于疲劳导致系统寿命的下降。 也有的声衰减方法是在光纤上贴上p v d f 膜，或在光纤上镀压电膜。这些方式都需 要改变光纤的结构，应用起来有一定局限性。 清华大学的巩马里等人设计了一种能够用于双包层光纤激光器的声光调q 方 法及其装置，以克服已有技术的缺点，直接将声光q 开关在双包层光纤上实现，大 大减小传统技术带来的插入损耗。此方法的基本原理是：将双包层光纤激光器的 石英光纤直接作为声光介质，在双包层光纤中形成声波驻波场或行波场，这将使 光纤中石英的折射率产生相应的周期性变化，形成位相光栅，在增益纤芯中传播 的振荡激光在位相光栅的作用下将发生衍射，使传输方向发生偏折，脱离增益纤 芯的波导束缚，成为泄漏波，该泄漏波等效为波导传输损耗，阻止振荡激光的形 成，则光纤激光器处于低q 值状态；声波场消失，光纤中的位相光栅随即消失，光 纤激光器处于高q 值状态。但此方法对入射声波的频率和功率密度要求较高，实际 中很难达到。 为了降低对入射声波频率和功率的要求，本文提出了一种连续声光衍射调q 的 实验方案，采用多个换能器阵列进行多次声光衍射以降低对入射声波频率的要求， 而每个换能器阵列有多个换能器构成，这样可降低对入射声功率密度的要求。在 论文中针对此方法进行了理论分析、计算及仿真，根据实验需要进行了换能器设 计以及相关电路及控制软件的制作。 1 4 具体研究工作 1 声光互作用理论研究：分别从波动学和量子学角度讨论声光效应，分别讨论正 常、反常布拉格衍射和拉曼奈斯衍射；绘出各级衍射光光强随q 的变化曲线，分 析了介质中的声光互作用规律，分析了声光正常布拉格衍射时的声光衍射效率( 论 文第二章) ： 9 电子科技大学硕十学位论文 2 光纤在声场中的力学分析：用a n s y s 有限元分析软件对光纤在声场中的受力情 况进行简单模拟仿真( 论文第二章) ； 3 光纤的声光调q 实验中换能器的设计：对换能器阵列的扫描角度进行分析，对 换能器的材料和尺寸进行设计( 论文第三章) ； 4 射频信号电路设计：在实验中对声光全光纤调q 器件的驱动电路中射频信号发 生电路进行设计与实现( 论文第三章) ； 5 控制软件设计：编写控制软件，使整个实验实现了全自动化( 论文第三章) 。 1 5 本章小结 本章主要对光纤的声光研究的历史背景及其研究意义做了回顾与总结，并讨论 了国内外的研究动态，对本人所做具体研究工作进行描述。 1 0 第二章光纤中的声光互作用理论 第二章光纤中的声光互作用理论 本章利用动量匹配和动量失配分析了介质中的声光互作用规律，分析了声光正 常布拉格衍射时的声光衍射效率，从中得出与增加声光衍射效率相关的参数。因 此实验要根据这些参数来设计。另外，为了验证实验的可行性，用a n s y s 仿真软 件做了一个简单的关于光纤在声场中受力的仿真模型，从中得出要实验成功必须 选择合适的频率和超声波功率。这样，合适的超声波功率以及适当的超声换能器 尺寸都必须做出严格的计算，这些计算会在下一章进行讨论分析。下面对声光互 作用理论进行讨论，从而引出声光互作用的关系式。 2 1 声光互作用理论的研究 1 9 2 1 年，布里渊和曼德律斯提出预言，光会在超声波中发生衍射现象。该预 言在1 9 3 5 年被德拜和西尔斯与比尔卡用实验进行了验证。声光互作用分为正常( 或 各向同性) 声光互作用与反常( 或各向异性) 声光互作用。记豫为入射光的折射 率，为衍射光的折射率。正常声光互作用是指当声光相互作用的介质满足= 嘞 的条件( 般声光互作用所引起的衍射光的方向与入射光的方向之间的夹角不会 超过1 0 ，所以只要衍射光和入射光的偏振状态相同，就可认为入射光的折射率与 衍射光的折射率是相等的) 。反常声光互作用是指在一定条件下，光的偏振状态会 随着声波的作用而产生变化，这样，衍射光和入射光的本征模就变得不同，这样， 刀，和就不相等了，就不能用位相光栅来说明了。 由声光互作用可知，超声波通过介质时介质内存在应变，介质的折射率产生 周期性的变化。在通常情况下，压电材料和双折射晶体这两种介质的声光效应比 较复杂。对于压电材料而言，应变通过压电效应和电光效应改变折射率；对于双 折射晶体而言，切变波引起的刚体转动改变折射率。在这两种情况下对声光效应 的计算极为复杂，而对于一般的介质而言，上述情况都会比较弱。本论文只对一 般情况下的介质进行讨谢1 5 】叶1 9 1 。 下面分别从波动学和量子学的角度来讨论声光效应： 1 从波动学的角度分析。正常声光布拉格衍射原理可如下描述：由超声波引 起的形变会改变介质内的分子数密度和分子的电偶极矩，进而改变介质的极化率。 电子科技大学硕+ 学位论文 而介质的折射率是和极化率有直接关系的( n = = 1 + z ) ，因此当超声波经过 介质时，介质的折射率便会周期性地改变。这种变化的效果相当于对介质添加了 一个光栅常数等于超声波波长人的位相光栅，显然，光波经过光栅时会发生衍射。 当进入介质的超声波波长人很小时，即超声波的频率很高时，而介质的长度l 很大，因此光在经过介质时会经过多个超声波的波面，这是所谓的体光栅。在这 种情况下，入射光和衍射光的角度应该满足下列公式： 兄 s m 5 石 ( 2 。1 ) 其中，幺= b = 岛，q 为入射光与超声波的夹角，岛为衍射光与超声波的夹角， 以为布拉格角，名为入射光在介质中时的波长( 实际上因为是正常布拉格衍射， 有关系式珥= n a = 万，所以衍射光的波长仍然是五) 。 当超声波的波长a 很大时，即超声波的频率较低时，而介质长度l 很小，因 此当光以垂直角度入射进入介质时仅仅会经过很少的超声波的波面，这是所谓的 平面光栅。在这种情况下会产生多级衍射光，衍射光的角度满足如下公式： 2 s m o a a ( m ) = s i n 2 棚云m ：o ，+ l 垃，n ( 2 2 ) 这种方式就是拉曼一奈斯衍射。 2 从量子学的角度分析 2 0 h 2 4 1 。假设，在声光互作用区，声波和光波都是均匀 单色的平面波，声波和光波的相互作用可描述为两个粒子相互碰撞并产生一个新 粒子。在无损假设的条件下，在碰撞的过程中，能量和动量是守恒的。利用动量 矢量的三角图形描述这个碰撞过程，如图2 1 所示。从图中的三角关系得到： 7 l 后1 = h k o + h k 嘶+ l _ k o + 乏 ( 2 - 3 ) 式中，壳= h 2 a 是普朗克常数，分别记k o ，k + t ，和k 为入射光，散射光和声 波的波矢。k o 与k + t 非常接近，由于多普勒效应散射光会发生频率的漂移，所以k o 与k + 。并不相等。在大多数情况下，散射光的频率漂移小到可忽略，可依旧认为尼。 和云+ ，的波数是相等的。从图中的三角关系以及多普勒效应，可发现向上偏移的光 子的频率比入射光子的动量高，其中额外的动量是通过吸收声子得到的。下面列 出的方程表示出了在向下偏移的情况下声光相互作用过程中入射光、散射光与声 波的波矢关系，此时，散射光子是由入射光子释放一个声子产生的。 1 2 、h 、 _ 吼一- + 露：乏o 一 ( a ) 上移 uq 彩o = = = = = q l = + q c o _ i = 一q 2 - 2 拉曼柰斯多级声光衍射 1 3 ( 2 4 ) 蜘燃恸蝴雠瞄一 一 榭珊一龇蝴一 临椒一一 电子科技大学硕十学位论文 2 2 耦合波方程理论 本节从参量互作用的基本理论出发，推导出声光互作用的耦合波公式，并用 m a t l a b 作出了其数值解。然后讨论了衍射光强以及衍射效率。 2 2 1 声光互作用耦合波方程 设入射光是单色平面波，在直径为d 的光纤中沿z 轴传播，换能器与y 轴垂 直，关于y 轴对称，与x o z 平面夹角为o o 。在光纤中建立柱面坐标系，角坐标 为秒和径向坐标为r 建立模型，如图2 3 所示。 y 图2 3 光纤中声光耦合模型 声光衍射可被看做一个参量互作用的过程，通过弹光效应，入射光波与声波 相耦合产生了一系列在极化频率下的极化波f 2 5 】【3 9 】。极化波又会依次在新的频率下 产生衍射光。分别用和毛来表示入射光波的角频率和波矢，声波的用q 和霞表 示。极化波的角频率和波矢为： = 缈o + m q 矗：磊+ 越所= 1 2 ， ( 2 5 ) 这样，入射和衍射光波的电场可被扩展为下列平面波： 1 4 第二章光纤中的声光互作用理论 豆( 和) = 三霎乞e ，( 二) e x p j ( c o 。r 一邑尹) ( 2 6 ) 色为电场方向m 级光波的单位矢量，c c 为复共轭。 声致极化率与电场和应变成正比 p ( 尹，f ) = z s ( 尹，f ) e ( 芦，f ) ( 2 7 ) z 为描述弹光效应的非线性磁化率张量，s 为声波产生的应变。 跗力= 三 捃e x p ( q f 一“) 慨) ( 2 - 8 ) ；为单位应变张量，s 与尹无关，将上面三个式子代入麦克斯韦方程，并忽略二阶 项，可得到方程： 警一溅毛= 糕2 厶s e m ( 2 - 9 ) 其中 z m = 龟m z s e l = c o s o o + m ( k k o ) c o s v s e m _ l c o s 臼ok o c o s z m 2 e m 。扩 c m 哦= 警= 乏 ( 一吾) + 2 珑c o s c v + 皖，+ m 2 筹 。2 枷， 为m 级波的折射率。哦为极化波与介质中的自由光波间动量失配的度量。 只有入射光以特定角度入射时，才能满足动量匹配的条件从k = o ，这时， 极化波在介质内各处所激发的m 级衍射光才是同相叠加的；而当入射光沿任意角 度入射时，动量失配，即从哦0 时，不能满足同相条件，此时，m 级衍射光不 能有效地激发出m 级衍射光。动量失配的矢量关系如图2 - 4 所示，有关系式 皈= 一吒= 毛+ ，旅一k ( 2 1 1 ) 其中，k 为介质中自由光波的波矢，吒= ( c ) 。 ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) 足够的大， 两种模式， ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) 第二章光纤中的声光互作用理论 桐一 沼 其中， 刁= 三糕亭= 磊( 等) 靠 只= 去夕y 3i s l 2 鹏为声功率，p 为质量密度，v 是声速，h 为换能器的宽度。 由上面两式可以看出，声光衍射效率与声光互作用长度l 成正比，也与声功 率成正比，声光互作用长度越长则衍射效率越高，但所需要的声功率也会越高， 因此要使衍射效率高而降低声功率的需求，声光互作用长度l 必须做出适当选择， 即换能器的尺寸必须进行优化设计。 2 2 2 衍射光强变化以及分析 经过声光互作用，衍射光强，。- - i e 。犯) 1 2