声光调制器及其典型应用.ppt
声光调制器 (AOM, Acousto-optical Modulators)
声光调制器声光调制器 (AOM, Acousto (AOM, Acousto--Modulators)optical Modulators)声光调制是一种外调制技术，通常把控制激光束强度变化的声光器件称作声光调制器。
声光调制技术比光源的直接调制技术有高得多的调制频率；与电光调制技术相比，它有更高的消光比（一般大于1000：1），更低的驱动功率，更优良的温度稳定性和更好的光点质量以及低的价格；与机械调制方式相比，它有更小的体积、重量和更好的输出波形。
其工作原理简述如下：声光调制器由声光介质和压电换能器构成。
当驱动源的某种特定载波频率驱动换能器时,换能器即产生同一频率的超声波并传入声光介质,在介质内形成折射率变化，光束通过介质时即发生相互作用而改变光的传播方向即产生衍射，如右图所示。
衍射模式有布拉格衍射和拉曼-奈斯型衍射。
激光腔外使用的声光调制器一般采用布拉格型，衍射角为：sin θd ≈θd=（λ0/υ）f1一级光衍射效率η为：η1=I1/IT=sin 2（∆ψ/2） ∆ψ=（π/λ0）√2LM2Pa/H式中λ0为光波长；V 为声光介质中的声速；I1为一级光衍射强度；L 为声光互作用长度；H 为声光互作用宽（高）度；M2为声光品质因数；Pa 为声功率。
当外加信号通过驱动电源作用到声光器件时，超声强度随此信号变化，衍射光强也随之变化，从而实现了对激光的振幅或强度调制；当外加信号仅为载波频率且不随时间变化时，衍射光的频率发生变化而达到移频。
英国公司古奇·休斯古Gooch & Housego 是全世界最大的声光器件制造商，目前全世界约90%的应用厂家都选用该公司的产品，包括声光Q 开关、电光Q 开关、可调滤光器、调节器、频移器、光纤耦合。
为了进一步拓展亚洲包括中国的市场和提高售后服务质量，该公司已授权我们为中国的唯一代理，为客户提供售前、售中及售后服务。
目前主要供应两种声光调制器：自由空间式声光调制器和光纤耦合声光调制器（或称为全光纤声光调制器）。
声光调制器移频原理
声光调制器移频原理一、引言声光调制器（Acousto-Optic Modulator, AOM）是一种能够将声音信号转换为光信号的装置。
它利用了声光效应和光学效应的相互作用，实现了声音和光的转换。
本文将详细介绍声光调制器的移频原理及其应用。
二、声光调制器的基本原理声光调制器是一种基于声光效应的装置，声光效应是指声音波和光波在某些材料中发生相互作用的现象。
声光调制器通常由一个声波发生器和一个光学系统组成。
声波发生器产生声波信号，通过压电晶体或声波晶体将声波转换为机械波，进而通过光学系统将机械波转换为光波。
三、声光调制器的移频原理声光调制器的移频原理是指通过调制声音信号的频率，从而改变输出光信号的频率。
具体来说，声光调制器利用声波对光波的折射率产生调制作用，使得输出光波的频率发生改变。
1. 声光调制器的工作原理声光调制器的工作原理基于声光效应和光学效应的相互作用。
当声波通过声波晶体传播时，声波会在晶体中引起密度和折射率的变化。
这种折射率的变化会导致光波的传播速度改变，从而引起光波的频率变化。
2. 光学频移的原理声光调制器中的声波晶体通常是一种具有特殊结构的晶体材料，如硅等。
这种晶体材料的特殊结构使得它具有特定的光学特性，包括折射率和吸收系数等。
当声波通过晶体时，声波会在晶体中引起折射率的变化。
这种折射率的变化会导致光波的传播速度发生变化，从而引起光波的频率变化。
3. 频率移动的控制声光调制器的频率移动可以通过控制声波的频率来实现。
声波的频率越高，光波的频率变化越大；声波的频率越低，光波的频率变化越小。
因此，通过控制声波的频率，可以实现对光波频率的精确调控。
四、声光调制器的应用声光调制器具有广泛的应用领域，包括通信、光学测量、光学成像等。
下面将介绍声光调制器在这些领域的具体应用。
1. 通信领域在通信领域，声光调制器被广泛应用于光纤通信系统中。
它可以将电信号转换为光信号，并通过光纤进行传输。
声光调制器的频率移动功能可以用于调制光信号的频率，实现多信道传输和频率分割多址等技术。
声光调制技术
所需的声功率
Ps HLI s
由
2 cos2 B H
2M 2 L
2nvs s cos B f 2L L
2015-4-1 11
s
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）。
2 L2 I s M 2 Is M 2 ) 2 2 cos 2 B
式中的cosθB因子是考虑了布拉格角对声光作用的影响。 由式可见，若对声强加以调制，衍射光强也就受到调制了。
布拉格衍射必须使入射光束以布拉格角θB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。 布拉格衍射由于效率高，且调制带宽较宽，故多被采用。
3
(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
2015-4-1 4
(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。
入射光
衍射光
调制信号
图2 声光调制器布喇格型
2015-4-1 5
Id(fm)
t
0
Ps
1/2
Ps
fm(Is)
声光调制特性曲线 布拉格声光调制特性曲线与电光强度调制相似。由图可以看出： 衍射效率η与超声功率Ps只是非线性调制曲线形式，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Vλ /4 =V π/2 ），使其工作在线性较好的区域。 2015-4-1 6
I1 Ii sin 2 / 2
声光调制器及其典型应用
在生物检测中，声光调制器被广泛应 用于荧光、光谱等分析方法中，实现 对生物分子和细胞的分析和检测。
03
化学分析
在化学分析中，声光调制器能够提供 快速、稳定的调制信号，实现化学反 应的实时监测和化学成分的分析。
04
声光调制器的发展趋势 与挑战
新型声光材料与器件的研究
探索新型声光材料
研究具有优异声光效应的新型材料，如拓扑材料、钙钛矿材料等，以提高调制器的性能。
3
不同的调制方式适用于不同的应用场景，选择合 适的调制方式可以提高调制效果和稳定性。
声光调制器的优点与局限性
优点
声光调制器具有调制速度快、调制精 度高、易于集成等优点。
局限性
声光调制器对温度和压力等环境因素 比较敏感，容易受到外界干扰的影响。 同时，声光调制器的成本较高，限制 了其在某些领域的应用。
插入损耗
由于声波对光波的调制作用，会导致 一部分光能转化为热能，因此声光调 制器通常有一定的插入损耗。
调制带宽
调制带宽是指声光调制器能够实现调 制的最大频率范围。
02
声光调制器的工作原理
声光效应
声光效应是指声波在介质中传播时， 引起介质中光学性质发生变化的现象。
声光效应包括弹光效应、热光效应和 压光效应等，其中弹光效应是最主要 的声光效应。
全息显示
全息显示技术利用声光调制器对激光束进行调制，实现全息图像的生成。 全息显示技术能够提供立体、逼真的图像效果，在安全、防伪和展览等 领域具有广泛应用。
激光雷达
激光雷达
利用声光调制器对激光束进行调 制，实现距离和速度的测量。声 光调制器能够快速响应，提高激 光雷达的测量精度和速度。
无人驾驶
无人驾驶汽车和无人机需要高精 度的距离和速度测量，声光调制 器能够提供稳定、可靠的数据， 保障行驶安全。
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。
声光调制光速测量光速介质折射率测量ppt新版
考O p虑lu各s E向，同p.性介质•，鹤折田射率匡的改夫变.为光速度の(S为测应变定量.，Op为声p光lu系s数E），p.94，1982
因此，可由差值（x2-x1）确定光速c。
该调制光被置于导•轨华上中的角工锥按学原院路反等射回. 来激，光进入技光电术倍.增湖管进南行科外差学式检出测版社，1981
pS0
s
ks
s
❖介质的行波和驻波都使介质折射率在空间呈周期性变化，这相当于一位相光栅。
❖声波在一个周期T内，介质两次出现疏密层，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。
2 实验原理
（二）光速测量原理
2 实验原理
（二）光速测量原理 ❖将频率为10MHz的晶体振荡器信号加到声光调制器上，通过调制器的He-Ne激光束被调 制成频率为20MHz的光强调制波。 ❖该调制光被置于导轨上的角锥按原路反射回来，进入光电倍增管进行外差式检测 ❖将频率为19.704MHz的本振信号直接加在光电倍增管上，与入射的20MHz光强调制波 在光阴极上产生的电信号进行混频 →→得到频率为296kHz的光差频信号Δf ❖该信号在光电倍增管内经各倍增极多次倍增放大后送至示波器的Y轴。 →→为了测量光信号在传播时间内产生的相移φ ❖把未经移相的频率为10MHz的晶振信号直接与19.704MHz信号混频，经过选频放大器 ，取出与Δf同频的296kHz参考信号 ❖调节电感移相器移相φ，使之与Δf同相，然后送至示波器的X轴进行鉴别 ❖当示波器现实的李萨茹图形为同相直线时，即可由移相器读出此时的φ值 ❖移动导轨上的角锥，匀间隔地测出沿导轨各点坐标X所对应的φ值，以确定X与φ的线性 关系，最后求出光速。
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
第4章 声光调制 2012.10.12
(2)布拉格声光衍射的粒子模型。 上面是从光波的相干叠加来说明布拉格声光互作用原理的。
也可以从光和声的量子特性得出声光布拉格衍射条件。光束可以
看成是能量为ħωi，动量为ħki的光子(粒子)流，其中ωi和ki为光波 的角频率和波矢。同样, 声波也可以看成是能量为 ħωs 、动量为
ħ ks的声子流，声光互作用可以看成光子和声子的一系列碰撞，每
2A)，这些点称为波腹，波腹间的距离为λs ／2。在x＝(2n+1) λs
／4的各点上，驻波的振幅为零，这些点称为波节，波节之间的 距离也是λs／2。 x＝ nλs /2 x＝(2n+1) λs／4
图 1.3-2 超声驻波
由于声驻波的波腹和波节在介质中的位置是固定的，因此它形成 的光栅在空间也是固定的。声驻波形成的折射率变化(正比于介 质质点沿x方向位移的变化率, 对上式求导并令△n = - 4Aπ /λs )
光场强是所有子波源贡献的求和，即由下列积分决定：
(1.3—11)
式中，l＝sinθ (因观察角度不同引起的附加相位延迟)表示衍射方向 的正弦; q为入射光束宽度。将ν＝ (Δn)k iL ＝2π(Δn)L／λ代入上式 (ν是因折射率不同引起的附加相位延迟) ，并利用欧拉公式展开成 下面形式：
(1.3-12)
(1.3-5)
声驻波在一个周期内，介质两次出现疏密层，且在波节处密度保 持不变，因而折射率每隔半个周期(Ts／2)就在波腹处变化一次，
由极大(或极小)变为极小(或极大)。在两次变化的某一瞬间，介
质各部分的折射率相同，相当于一个没有声场作用的均匀介质。 若超声频率为fs，那么光栅出现和消失的次数则为2 fs ，因而光波 通过该介质后所得到的调制光的调制频率将为声频率的两倍。
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声光调制器测声速示意图
超声光栅测速仪实物图 产品成熟，廉价，但不适合高精度测量
3.激光雷达非线性校正
系统采用闭环负反馈 控制激光器来实现非 线性校正。激光器的 光束分成两路，一路 用于目标测量，另一 路用于非线性校正。 而测量路继续分成两 路，其中一路直接探 测目标，与另一路有 一相对固定的光程差， 二者干涉叠加后被光 电探测器接受，使之 产生一个电压信号Vs (t) 。
度
理想调频曲线τr时间内产生的频偏
激光雷达非线性校正原理图
谢 谢！
fs
m vs 2d
• 当 d 为确定值时, 可以在声光介质中形成不同频率的驻波振动, fs 大 小和 m 值有关.当激光束以垂直声场方向入射时, 将产生喇曼 - 纳斯 型衍射。
• 在声光器件中换能器的频率响应带宽Δf范围内, 调节频率 fs 大小, 能找到多个与衍射最强相对应的 fs 值, 而在两个衍射最强点之间有 暗区间的过渡。因此, 可通过对衍射光点亮暗变化的辨别, 来判断 m 值的变化。
1.原理简介
• 声光调制器： • 电-声-光
• 两种衍射。由 于拉曼-奈斯型 衍射效率较低， 通常采用布拉 格型衍射
1.原理简介
• 布拉格衍射角为：
sin( d ) d
0
vs
fs
• 一级光衍射效率η1
1
I1 IT
sin 2 ( ) sin 2 ( K1
Pa )
2
• 其中 2LM 2 Pa
0
H
1
sin 2 ( K1V
)
布拉格衍射示意图
1.原理简介
• 分类： • 自由空间、光纤耦合
• 参数指标： • 消光比（大于1000:1） • 衍射效率（最大90%，
个别95%） 射效率型自 由空间声光调制器
2.测声速
•
声波形成驻波的条件d
m
s
2
，根据s
vs 有 fs
声光调制器及其典型应用
姓名： 学号：
声光调制器
声光调制器测声速
声光调制器在激光雷达 测距中用于非线性校正
1.原理简介
• 声光效应： • 超声波通过介质时会造成介质的局部压缩和伸长而产生弹
性应变
• 折射率n也呈现周期性变化，介质形成一个光栅 • 光通过这一受到超声波扰动的介质时就会发生衍射
• 常把控制激光束强度变化的声光器件称作声光调制器 AOM，利用声光效应亦可以制成光束偏转器件。
理想ωr和实际的ωbint比较 理想调频曲线τr时间内产生的频偏
3.激光雷达非线性校正
• 经证实，这个系统对5THz以上，扫描频率为5MHz/μs的激光信号， 校正后的残余非线性小于1MHz。
• 在数米的测量范围内精度为小于100μm。
• 注意到 r的大小与校正的精度和闭环反馈控制的效率有关， r 太大校正 精度会降低，过小则影响控制的执行效率。 r 的精度直接影响测量精
声光调制器测声速示意图
2.测声速
• f n 2vds ，n 1则 vs 2df ，
• d确定后，f为常数，f由频率计 计算。精度与d和 f 的精度以及
介质的衍射效率均有关。相对 误差在0.1%到2%之间。与声速 大小有关，声速越大，相对误 差越大
• 缺点：只能测透明介质中的声 速
• 成品：超声光栅声速仪
激光雷达非线性校正原理图
3.激光雷达非线性校正
• 非线性校正部分采用一个延时自差光纤干涉仪，简而言之，就是在干 涉仪的一路中放置一个声光调制器，以消除干涉信号中的直流干扰。
干涉信号是一个拍频，其角频率bint r AOM ，式中， 为调频斜率，
r 为光学延迟线带来的延时。数字鉴相器将 bint 与理想的参考角频率r 比较，产生误差信号error，error经放大后反馈到激光器的调制电流和 压电陶瓷，用以校正调频斜率 。