第三章光电子技术-2(声光调制和声光偏转).
声光偏转器和声光调制器的基本原理
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声光调制的原理及应用
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。
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）。
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。
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 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。
《声光调制的原理及应用》
《声光调制的原理及应用》声光调制技术是一种利用声音信号控制光的传输和发射的技术。
它利用声音信号的变化来控制光信号的传输，从而实现声音与光的转换和互相影响。
声光调制技术在通信、光学传感、光学计算和生物医学等领域有着广泛的应用。
本文将介绍声光调制的基本原理和其在不同领域的应用。
一、声光调制的原理声光调制原理是基于光的折射现象和声音的振动原理。
当声音信号通过声音传感器转换成电信号后，电信号会控制声光调制器中的光学元件，使得光线的传输、频率、强度等参数发生变化。
声光调制技术主要应用于声光交叉开关、动态光栅、光学调制器等设备中。
声光调制器主要包括声光作用单元和声音调制单元。
声音调制单元负责将声音信号转换成电信号，而声光作用单元则将电信号转换成光信号。
其中，声光晶体是声光作用单元的主要组成部分，它能够根据电信号的变化来调节光的传输，实现声音与光的转换。
声光调制器能够实现声光信号的传输、调制和解调，是光学通信和信息处理领域的重要设备。
二、声光调制的应用1.光学通信声光调制技术在光纤通信和光学网络中有着广泛的应用。
通过声光调制器，可以将电信号转换成光信号，并实现光信号的传输和解调。
声光调制技术提高了光纤通信的带宽和信号传输速度，使得光纤通信系统具有更高的传输效率和稳定性。
2.光学传感声光调制技术在光学传感领域中有着重要的应用。
声光传感器能够实现对声音信号的检测和转换，用于声学信号处理和声音识别。
声光传感器在工业、医疗和环境监测等领域中得到广泛应用，为相关领域的研究和应用提供了重要的技术支持。
3.光学计算声光调制技术在光学计算和信息处理领域中有着重要的应用。
声光调制器能够实现对光信号的调制和解调，用于光学计算和信息传输。
声光调制技术能够提高光学计算系统的速度和效率，为光学计算和信息处理提供了新的技术手段。
4.生物医学声光调制技术在生物医学领域中也有着重要的应用。
声光调制技术能够实现对声音信号的处理和转换，用于医学影像处理和信号采集。
光学实验二—_电光、声光和磁光调制实验指导书
电光调制实验一 实验原理电光调制实验仪作为高等院校新一代的物理实验仪器，在基础物理实验和相关专业的实验中用以研究电场和光场相互作用的物理过程，也适用于光通讯与光信息处理的实验研究。
电光调制器的调制信号频率可达 Hz 量级，因而在激光通讯、激光显示等领域中有广泛的应用。
（一）电光调制原理某些晶体在外加电场的作用下，其折射率随外加电场的改变而发生变化的现象称为电光效应，利用这一效应可以对透过介质的光束进行幅度,相位或频率的调制，构成电光调制器。
电光效应分为两种类型：（1）一级电光（泡克尔斯—Pockels ）效应，介质折射率变化正比于电场强度。
（2）二级电光（克尔—Kerr ）效应，介质折射率变化与电场强度的平方成正比。
本实验仪使用铌酸锂（LiNbO 3）晶体作电光介质，组成横向调制（外加电场与光传播方向垂直）的一级电光效应。
图1 横向电光效应示意图如图1所示，入射光方向平行于晶体光轴（Z 轴方向），在平行于X 轴的外加电场（E ）作用下，晶体的主轴X 轴和Y 轴绕Z 轴旋转45°，形成新的主轴X ’轴—Y ’轴（Z 轴不变），它们的感生折射率差为Δn ，并正比于所施加的电场强度E ：rE n n 30=∆式中r 为与晶体结构及温度有关的参量，称为电光系数。
n 0为晶体对寻常光的折射率。
当一束线偏振光从长度为l 、厚度为d 的晶体中出射时，由于晶体折射率10910~10１的差异而使光波经晶体后出射光的两振动分量会产生附加的相位差δ，它是外加电场E 的函数： U d l r n rE n nl ⎪⎭⎫ ⎝⎛==∆=3030222λπλπλπδ (1) 式中λ为入射光波的波长；同时为测量方便起见，电场强度用晶体两极面间的电压来表示，即U=Ed 。
当相差πδ=时，所加电压l d r n U U 302λπ== (2) πU 称为半波电压，它是一个可用以表征电光调制时电压对相差影响大小的重要物理量。
声光调制
2
cos2 B
2M 2
H L
20
可见，声光材料的品质因数M2越大，欲获 得100%的衍射效率所需要的声功率越小。而
且电声换能器的截面应做得长（L大）而窄
（H小）。
2s
f0f
M1
2 2 3 cosB
Ps H
f0：声中心频率，M1
8
入射光
吸声器（或反射器） 声光介质
电声换能器 驱动电源
原理结构
9
1、拉曼-纳斯型声光调制器
调制器的工作原理如图1(a) 所示，工作声源 频率低于 10MHz。只限于低频工作，带宽较小。
入射光
衍射光 调制信号
图1 拉曼-纳斯型声光调制器
10
2、布喇格型声光调制器
布喇格型声光调制器工作原理如图2所示。
3
各级衍射的方位角为（最大值的位置） ：
s in m
m ks ki
m s
(m 0, 1, 2,)
各级衍射光的强度为：
Im
J
2 m
(v),
2 v (n)ki L nL
4
衍射效率为：
s
I1 Ii
s
in
2
1 2
( 2
nL)
14
允许的声频带宽与布喇格角的可能变化量 之间的关系为 ：
f s
2nvs
c os B
B
15
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
i
声光调制的工作原理与应用
声光调制的工作原理与应用1. 声光调制的基本原理声光调制是一种利用声音信号来调制光信号的技术，它基于固体中的声子与光子之间的相互作用。
声光调制器通常由声光晶体和驱动电路组成。
1.1 声光晶体声光晶体是声光调制的关键元件，它能够将声波转换为光波或将光波转换为声波。
常用的声光晶体有硅、锗和砷化镓等。
1.2 驱动电路驱动电路用于产生驱动信号，控制声光晶体的工作状态。
驱动电路通常由放大器、振荡器和滤波器等组成。
2. 声光调制的工作原理声光调制器的工作过程可以简述为：1.输入的声波信号经过放大器放大，得到驱动信号；2.驱动信号进一步经过滤波器，去除高频噪声；3.驱动信号通过连接到声光晶体的电极，使声光晶体发生电光效应，将电信号转换为光信号；4.光信号经过光学系统进行调制，最后输出。
3. 声光调制的应用声光调制技术在许多领域都有广泛的应用，以下列举了一些常见的应用场景：3.1 光通信声光调制器可以用于光通信中的信号调制。
通过将声音信号转换为光信号，可以实现高速、高带宽的光通信传输。
3.2 激光雷达激光雷达是一种通过发射激光束并接收其返回的信号来测量目标距离、速度和方位角的技术。
声光调制器可以用于控制激光的频率和波长，从而实现更精确的测量。
3.3 光学成像声光调制技术可以用于光学成像中的信号处理。
通过调制光信号的相位和强度，可以实现图像的增强和改善。
3.4 光谱分析在光谱分析中，声光调制器可以用于实现光信号的频谱分析。
通过调制光信号的频率，可以得到待测样品的光谱信息。
3.5 光学信号处理声光调制技术还可以用于光学信号处理，如光学调制、光学开关和光学存储等。
4. 总结声光调制技术是一种利用声音信号来调制光信号的技术，它利用声光晶体将声波转换为光波或将光波转换为声波。
它在光通信、雷达、成像等领域都有广泛的应用。
随着技术的发展，声光调制技术将会有更广阔的发展前景。
光电子技术(声光调制和声光偏转)
声光偏转器的性能指标及评价方法
性能指标
声光偏转器的主要性能指标包括衍射效率、偏转角度、工作频率范围、响应时间等。其中，衍射效率 反映了声光相互作用的强弱，偏转角度决定了光波偏转的程度，工作频率范围和响应时间则关系到器 件的适用性和动态性能。
评价方法
通常采用实验测量的方法对声光偏转器的性能指标进行评价。例如，可以通过测量不同频率和声强下 的衍射效率和偏转角度，绘制出器件的频率响应曲线和偏转特性曲线，以全面评估器件的性能。
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声光偏转是利用声波在介质中传播时 引起的折射率梯度，使光束发生偏转 的现象。声光偏转器通常由压电晶体 和棱镜组成，当压电晶体受到声波作 用时，其折射率会发生变化，使得通 过棱镜的光束发生偏转。
声光调制和声光偏转 的应用
声光调制和声光偏转在光通信、激光 雷达、光学测量等领域具有广泛的应 用。例如，在光通信中，声光调制器 可用于实现高速光信号的调制和解调 ；在激光雷达中，声光偏转器可用于 实现光束的快速扫描和定位；在光学 测量中，声光调制和声光偏转可用于 实现高精度的光学干涉和衍射测量。
02 声光调制技术
声光调制器的基本结构和工作原理
基本结构
声光调制器主要由声光介质、压电换能器、吸声（或反射）装置及驱动电源等组 成。
工作原理
声光调制器是利用声光效应将信息加载于光频载波上的一种物理器件。当特定频 率的声波作用于声光介质时，会引起介质折射率的变化，从而使通过介质的光波 参数（如振幅、频率、相位等）随之发生变化，实现对光波的调制。
于制作光电探测器。
非线性光学材料
具有非线性光学效应的材料， 如磷酸二氢钾、铌酸锂等，用 于制作光调制器和光开关等。
第3章-光束的调制和扫描
其中ma
Am
边频分量
Ac
, 调幅系数
Ac
ma Ac 2
ma Ac 2
c m
c
2 m
c m
2、频率调制和相位调制 <角度调制>
调频或调相就是光载波的频率或相位随着调制信号 的变化规律而改变的振荡。 对频率调制来说，就是式中的角频率c随调制 信号变化：
(t ) c (t ) c k f a (t )
光调制
(a) 调制信号 (b) 脉冲幅度5、 脉冲编码调制
模拟调制信号 电脉冲序列调制
电调制
二进制编码 强度调制
光调制
三个过程：
（1）抽样：把连续信号波分割成不连续的脉冲波， 用一定的脉冲列来表示 。 模拟信号 变成 脉幅调制信号
光束调制按其调制的性质可分为：调幅、调频、 调相及强度调制等。 若调制信号是一时间的余弦函数，即：
1、振幅调制
a (t ) Am cos m t
调幅波的表达式为：
E (t ) Ac [1 ma cos m t ] cos( c t c )
调幅波的频谱为：
载频分量
ma E (t ) Ac cos( c t c ) Ac cos[( c m )t c ] 2 ma Ac cos[( c m )t c ] 2
（2）量化：分级取“整” 变为数字信号 （3）编码：把量化后的数字信号变换成相应的 二进制码的过程。 “1” 激光载波的极大值； “0” 激光载波的零值。
3.2 电光调制
利用电光效应可实现强度调制和相位调制。 本节以KDP电光晶体为例讨论。 3.2.1. 电光晶体基础 利用纵向电光效应和横向电光效应均可实 现电光强度调制。
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第二部分—声光调制和磁光调制
3.6声光调制的物理基础
۩ 3.6.1超声波的概念 ۩ 3.6.2声光效应
۩ 3.6.3拉曼——奈斯衍射
۩ 3.6.4布拉格衍射 ۩ 3.6.5声光调制 ۩ 3.6.6声光偏转
3.6.1超声波的概念
世界因为有了声音而充满欢乐。我们平常听到的各种 声音只是声音世界中的一部分，范围在 20 赫兹至 20000 赫 兹之间，而 20000 赫兹以上的声音是超声，尽管听不到， 却很有意义。 超声波有两个特点，一个是能量大，一个是沿直线传 播。它的应用就是按照这两个特点展开的。 理论研究表明，在振幅相同的情况下，一个物体振动 的能量跟振动频率的二次方成正比．超声波在介质中传播 时，介质质点振动的频率很高，因而能量很大。
声光效应与电光效应
相似之处：
晶体在受到外部作用后，才出现光学性质的变化， 具体表现为折射率的分布发生改变。
区别：
电光效应中，外加电场的加入是起因。 声光效应中，造成折射率变化的因素是应变或应力。
3.6.3拉曼——奈斯衍射
1、声光衍射的定性描述：在晶体中传播的超声波，会造 成晶体的局部压缩或伸长，这种由于机械应力引起的弹 光效应使晶体的介电常量发生变化，因而折射率也发生 变化。 2、在介质中形成了周期性的有不同折射率的间隔层，这 些层以声速运动，层间保持声波波长一半（ λs/2 ）的距 离，当光通过这种分层结构时，就发生衍射，引起光强 度、频率和方向随超声场的变化。
3.6.3拉曼——奈斯衍射
声波阵面
对于垂直入射情形，相对于 0 度 方向的衍射极值角度方向由公式
λ s
入射光
sin m m s
m 0,1,2,
λ
式中θ m为第m级衍射极值的偏角。
L
3.6.3拉曼——奈斯衍射
拉曼—奈斯衍射时，入射光在相互作用区内部的 传播方向仍保持直线方向，而与折射率变化有关 的介质的光学不均匀性只对通过声柱的光的相位 发生影响。
声光衍射
根据光波波将声光衍射分为：
拉曼——奈斯衍射 布拉格衍射
3.6.3拉曼——奈斯衍射
1、在低声频和声波束的宽度（即声光相互作用）L不大的 情况下且 k⊥ks 时可以将声光介质看成一块普通的位相光 栅。 2、光束在介质中传播时，由于折射率随介质密度的变化， 使得出射光波的波前已不再是平面波的波面，而是波浪 状曲面。波面上的各点作为次波源，发出子波在空间相 互干涉而形成多级衍射条纹。这种类似于普通面光栅的 作用而产生的声光衍射，就称为拉曼——奈斯衍射。
超声波的应用2
超声不仅是信息载体，还是一种能量形式，在传播时可以进行 能量的转换。超声波加湿器就是一个很简单的例子。它的关键部件 是压电陶瓷，通电之后，把高频电转化为超声，使很强的超声波从 下方发出。在水面的局部小区域内，声能转化为机械能，引发起强 大的机械力，把水“打碎”，并喷射出来，形成水雾，加湿空气。 在我国北方干燥的冬季，如果把超声波通入水罐中，剧烈的振动 会使罐中的水破碎成许多小雾滴，再用小风扇把雾滴吹入室内，就 可以增加室内空气的湿度．这就是超声波加湿器的原理。 对于咽喉炎、气管炎等疾病，药力很难达到患病的部位．利用 加湿器的原理，把药液雾化，让病人吸入，能够增进疗效．利用超 声波的巨大能量还可以把人体内的结石击碎．
超声波的应用1
蝙蝠非常善于使用超声。它们用喉头发出 20千赫至120千赫之间的超声 啾鸣，用耳朵接收障碍物的反射回波，以这个回波来判断猎物的距离、方位、 形状和速度。那份灵巧和精确让人瞠目。 模仿蝙蝠使用超声的道理，人类发明了声纳这种装在船只及潜艇上的装 置。 靠超声在水中传播时碰到物体产生回波，来测定距离，确定位置。能 发现对手，或保证航行安全。
声波的作用可归结为形成以声速运动的、周期等 于声波周期的相位光栅，因而这种衍射遵循普通 相位光栅的衍射定律。
3.6.4 布拉格衍射
在高声频和相互作用长度较大的情况下，并且光束 与声波波面成一定角度入射时，发生布拉格衍射。其衍 射光谱只出现零级和+1级或零级和-1级。 如果参数选择合适，超声功率足够强，入射光几乎 可以全部转移到 +1 级或 -1 级上，因为布拉格衍射有着较 高的转换效率，所以它比拉曼 — 奈斯衍射应用更为广泛。
合成孔径声纳可以用于海底测量，水 下考古和搜寻水下失落物体等，尤其可以 进行高分辨海底测绘，对数字地球研究具 有重要的意义。
可拦截鱼雷的脉冲声波发射系统
在探测到敌方发射的鱼雷后，这些声波转换器可在 瞬间发射出高能脉冲声波，其强度足以摧毁或者提前引 爆被锁定的鱼雷。由于是在水下，声波拦截鱼雷时的速 度可达1.5千米/秒。
超声波的应用4
3.6.2 声光效应
晶体光学性质的变化，不仅可以通过外加电场的作用 实现，外力的作用也能够造成折射率的改变。 弹光效应：由于外力作用而引起介质光学性质变化的 现象。 声波作为一种弹性波，在晶体中传播时，会造成介质 密度的疏密变化，使得介质的折射率分布也随之改变。 声光效应：由于声波作用而引起光学性质变化的现象， 声光效应是弹光效应的一种。
超声波的应用3
超声清洗。把表面生锈和沾有脏污的物体浸泡在水一类的清洗液中， 送入一定量的超声，使污物从工件表面脱落下来。金银珠宝配带久了，失 去光泽，变得难以入目，化学清洗会损伤饰物表面，而超声清洗可以整旧 如新取得理想的效果。 超声悬浮是借助超声产生的强大声场将颗粒或液滴托起，在密闭装置 内进行实验，保持超纯度，超精度。超声马达是利用压电陶瓷把电信号转 化成超声振动，产生一定的力，带动马达工作，平稳、速度可调、不怕磁 干扰，小的可用于相机的变焦镜头，大的甚至可以代替现有的汽车马达。 超声焊接是利用超声的高频振动，把两个不同的物件连接在一起，因为它 基本不发热、不变形，在微电子工业中用来焊接集成电路芯片，尤其是它 能焊接某些特殊的稀有金属，在核工业、空间技术等领域可以开发更多的 用途。
3.6.4 布拉格衍射
1、布拉格条件
①同一镜面上任意两点的贡献应同相(图4-16)