激光技术第二讲

激光技术-第二讲直接调制声光调制第四章激光调制与偏转技术磁光调制一、声光效应定义：当光在建立起超声场的介质中传播时，由于光弹效应，光被介质中的超声波衍射或散射的现象。

产生声光效应的条件：

1)在介质中必须存在超声场。

2)光弹效应：当介质中有超声波传播时，由于超声波是弹性波，在介质中就产生了随时间和空间周期变化的弹性应变，因而介质中各点的折射率就会随着该点上的弹性应变而发生相应的改变。折射率的改变影响了光的传播特性。

超声波-弹性波-弹性应力-弹性应变--光的传播特性变化第三节声光调制4.3.1声光调制的物理基础二、超声波的传播形式1.行波：沿x方向传播深色部分：压缩，密度增大，n增大浅色部分：拉伸，密度减小，n减小介质折射率的增大和减小交替变化，并以声速vs向前推进。对于光波而言，“声光栅”可认为静止声波方程（质点的瞬时位移）介质折射率的变化行波时的介质折射率弹光系数应变参考：徐阶平，声光器件的原理、设计和应用，科学出版社，19822.驻波：由传播方向相反的两束声波叠加而成声柱波方程（质点的瞬时位移）介质折射率的变化1.拉曼－纳斯衍射

条件：(1)超声波频率比较低。(2)光线平行于声波面入射和声波传播方向垂直入射。(3)声光互作用长度L较短

声速比光速小的多,声波场的介质厚度L比较小，相当于一个平面相位光栅。超声波的频率比较低，光栅间距大。当平行光通过光栅时，产生多级衍射4.3.2声光互作用的两种类型

按照超声波的频率以及声光互相作用的长度不同，声光互作用分成两种类型，拉曼－纳斯衍射和布拉格衍射。

超声波为沿x方向传播、宽度为L的平面纵波，光沿y方向传播。行波折射率变化：

把声行波近似视为不随时间变化的超声场，折射率变化可简化为在声光介质的前表面y=-L/2处，入射光波为：在y=L/2处，等相位面为n(x)决定的折皱曲面，出射光波为：出射的光受到相位调制，调制结果是光产生多级衍射光，根据菲涅耳-基尔霍夫积分公式则在很远的屏上某点p给出的光振幅为： 式中:q—光束的宽度，exp(-ikir)—表示光传到p点相位的变化，r

y。略去对时间的依赖关系，对坐标x积分略去常数项C 式中:r0—超声介质中心到p点的距离，

—r0和y轴之间的夹角根据欧拉公式和贝塞尔函数，积分得到：从上式可以看出：a.拉曼－纳斯衍射产生多级衍射光强：上式中每一项（贝塞尔函数的系数）都是形式。衍射光强取极大值的条件为：

m取离散值，对称分布b.第m级衍射光强大小为由于：故各级衍射光对称地分布在零级衍射光两侧，且同级次衍射光的强度相等。此外：由于光波与声波场的作用，各级衍射光将产生多普勒频移，根据能量守恒原理,（根据声光衍射的粒子模型理解）2.布拉格衍射

(1)条件：a.声波的频率fS较高。b.声光相互作用长度L较大－光栅变成三维空间相位光栅。c.入射光不是垂直入射，而是与声波波面有一定角度。光通过介质时，相当于通过多个光栅，只产生0级或1级光，即产生布拉格衍射。若能合理选择参数，超声场足够强，可使入射光能量几乎全部转移到1级衍射极值上，获得很高的效率。简化条件：把声波看成许多相距为

S的镜面。这些镜面部分反射，部分透射。在光通过介质的时间内，可以近似认为声波波面是静止的。分两种情况讨论a.光线入射到同一镜面的反射情况。两束光的干涉情况 设BC＝x,AC－BD是两衍射光的光程差,(2)布拉格方程的推导：

x值并不是固定的，即当x是任意值时，上式都应成立 只有 则－入射角和衍射角相等。b.光线入射在任意两个声波相位波面上入射光入射到两个不同的镜面上产生衍射。其两束光的光程差EF＋EG为光波波长的整数倍

即考虑到即

B称为布拉格角，上式称为布拉格方程，只有入射角

i等于布拉格角

B时，在声波面上衍射的光波才满足相干加强条件，得到衍射极值例：①水中的布拉格衍射，波长0.5m，fS=500MHz，布拉格角

B为3.4°；②熔融石英的布拉格衍射，波长1.064m，fS=40MHz，布拉格角为0.43°(3)衍射光强分析根据推导，当入射光强为Ii时，布拉格衍射的零级和一级衍射光强的表示式分别写成（参考：徐阶平，声光器件的原理、设计和应用）其中，即根据超声功率超声截面长度（声光晶体厚度）超声截面宽度超声强度或声光介质的物理参数组合称为声光材料的品质因数，是选择声光介质的主要指标之一。讨论：①PS一定，选择M2大的材料，衍射光强增大；②当PS足够大，I1/Ii→100%；③通过控制PS，实现声光调制(4)布拉格声光衍射的粒子模型根据量子力学理论，光束可以看成是能量为，动量为的光子流；同样，声波也可以看成能量为，动量为的声子流。声光互作用可以看作是光子和声子的一系列碰撞，每次碰撞导致一个入射光子（

i）和一个声子（

S）的湮灭，同时产生一个新（衍射）光子（

d）。动量守恒：能量守恒：式中，“+”表示吸收声子，“-”号表示放出声子由图直接导出：(5)区分拉曼-纳斯衍射和布拉格衍射的定量标准影响出现两种衍射情况的主要参数是声波长

S、光束入射角

i及声光作用距离L。特引入参数G

通过实践，现已普遍采用下列定量标准为方便应用，又引入参量定量标准可以写为：参考：徐阶平，声光器件的原理、设计和应用，科学出版社，19824.3.3声光体调制器1、声光体调制器的组成

声光体调制器是由声光介质、电-声换能器、吸声（或反射）装置及驱动电源所组成。（1）电—声换能器：是把电能转变为超声波的装置。原理：利用一些晶体（石英、LiNbO3等）或者压电半导体（CdS：ZnO）的逆压电反应。（2）声光介质超声波在此介质中传播，光通过此介质产生衍射，合理的选择声光材料很重要，常用材料包括重火石玻璃、熔融石英。（3）吸声器（或反射器）在行波结构中加吸声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。（4）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。吸声器换能器声光介质2、声光调制的工作原理

调制信号加到换能器上，使声波的振幅受到调制,进而产生光强度调制。布拉格衍射效率：布拉格衍射效率与超声功率是非线性调制曲线形式，为了使调制不反生畸变，则需加超声偏置，使其工作在线性较好的区域。拉曼-纳斯衍射只限于低频工作，带宽窄。3、调制带宽

调制带宽是衡量能否无畸变的传输信息的一个技术指标。对于布拉格声光调制器，对一定入射角和波长的光波，只有一个确定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散，因此只允许在一个有限的声频范围内才能产生布拉格衍射。由布拉格衍射方程得到允许的声频带宽：调制带宽与声波穿过光束的渡越时间成反比，为避免0级和1级衍射光的重叠，最大的调制频率应小于声频率的一半。4、声光调制器的衍射效率（自学）

理解M1、M3的物理含义。4.3.4声光波导调制器（自学）

特点：声光介质为平面波导结构，换能器为叉指结构。4.3.5声光偏转

声光效应的另一个重要用途是用来使光束偏转。其结构与声光调制器基本相同，不同之处在于改变声波频率，使衍射光偏转角改变。布拉格角：衍射光与入射光的夹角：2、声光偏转器的主要性能参量①可分辨点，决定偏转器的容量；②偏转时间，决定偏转器的速度；③衍射效率可分辨点：偏转角光束发散角为超声波渡越时间，记为

，也就是偏转器的偏转时间。称为声光偏转器的容量-速度积。根据推算，设计布拉格声光偏转器带宽的基本关系式：

一、磁光效应：

包括法拉弟旋转效应、克尔效应和磁双折射效应，其中最主要的是法拉弟旋转效应。利用有些晶体材料（如YIG钇铁石榴石）等在外加磁场作用下，可使通过它的线偏光的偏振面发生旋转，旋转的角度与沿光束方向的磁场强度H及晶体的通光长度成正比。

式中—磁光系数，也称韦尔代常数，—晶体的通光长度，——磁场强度。第四节磁光调制

利用调制信号控制磁场强度的变化，可以使光的偏振面发生相应的变化，光通过检偏器时，实现了光的调制。二、磁光调制为获得线性调制，在垂直于光传播方向上加一恒定磁场，使晶体饱和磁化。高频信号电流通过线圈感生出平行于光传播方向的磁场，入射光通过晶体时，偏振面发生相应的变化。磁致旋光效应的旋转方向仅与磁场方向相关，而与光线传播方向的正逆无关，这是磁致旋光和自然旋光的不同之处。三、法拉弟隔离器应用：①在光通信系统中，用于隔离光源与后续信号处理单元。②在级联激光放大器系统，用于各放大级之间的隔离。第五节直接调制

直接调制是把信息转变为电流信号注入半导体光源（激光二极管LD或半导体发光二极管LED），从而获得已调制信号，又称为内调制。可分为模拟调制和数字调制。4.5.1半导体激光器（LD）直接调制的原理

LD是将电子转换为相干光子的器件。半导体激光器存在阈值电流It，在阈值以下，LD不发光或只发荧光；在阈值以上，谱线宽度、辐射方向显著变窄，强度呈线性增长。1.为获得线性调制，必须在加调制信号电流的同时加一适当的偏置电流Ib，使输出信号光不失真。3.偏置电流通常选在It附近，此时调制速率较高。偏置电流选得太大，会使激光器的消光比变坏。2.要实现无畸变调制，最基本的要求是输出功率与阈值以上的电流呈良好的线性关系。4.由于半导体激光器调制带宽的限制，在高频调制下应采用量子阱激光器或外调制。4.5.2半导体发光二极管（LED）的调制特性

LED不是阈值器件。优点：其P-I特性曲线的线性比较好。缺点：调制速率低（只能达到100Mb/s）新应用：LED智能照明在实际应用中，应综合考虑线性度和调制信号幅度，合理选择m值。光源器件本身的线性特性是决定模拟调制好坏的主要因素，在线性度要求较高的应用中，应进行非线性补偿。4.5.3半导体光源的模拟调制

使用LD或LED做光源，都需要施加偏置电流，使其工作点处于P-I曲线的直线段。调制线性好坏与调制深度m有关：4.5.4半导体光源的数字调制

数字调制必须对信号进行抽样，量化“编码”变成矩形脉冲。目前数字通信发展很快，因为：①它比模拟调制抗干扰能力强；②对数字光通信设备的线性要求不高，可充分利用LD的输出功率；③数字通信设备便于和脉冲编码调制（PCM）电话、PCM数字彩色电视、电子计算机终端相连接，从而组成既能传输电话、彩色电视，又能传输计算机数据的多媒体综合通信系统。本章小结：振幅调制、频率调制、相位调制、强度调制、脉冲调制等概