声光调制技术

　　超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。

　　1．声光作用原理。

　　（1）超声波在声光介质中的作用。声波在介质中传播分为行波和驻波两种形式。行波所形成的声光栅其栅面是在空间移动的。介质折射率的增大和减小是交替变化的，并且以超声波的速度Vs向前推进，其折射率的瞬时空间变化为：

　　Δn(z.t)=Δnsin(wst-Ksz)　　　　　　（20－50）

　　式中ws为超声波角频率。

　　在声光介质中，两列相向而行的超声波（其波长、相位和振幅均相同）产生叠加，在空间将形成超声驻波。声驻波形成的声光栅在空间是固定的，其相位变化与时间成正弦关系。

　　方程为：

　　a1(z,t)=Asin2π(t/Ts-z/λs)

　　a2(z,t)=Asin2π(t/Ts-z/λs)　　　　（20－51）

　　叠加后合成声波方程为：

　　a(z,t)=a1(z,t)+a2(z,t)=2Acos2πz/λs·sin2πt/Ts　　（20－52）

　　由上式可知，超声波其振幅为2Acos2πz/λ，在z轴上各点不同，但振荡相位在z轴上各点均相同，不随空间位置变化。所以超声驻波的波腹与波节在介质中的位置将不随时间变化，因此由超声驻波形成的相位光栅是固定在空间的，其折射率的变化可表示为：

　　Δn(z.t)=2Δnsin(wst.sinKsz　　　　（20－53）

　　（2）声光作用。按照超声波频率和声光介质厚度的不同，将声光作用可以分为两种类型，即喇曼－奈斯衍射和布喇格衍射。

　　①喇曼－奈斯衍射。在超声波频率较低，且声光介质的厚度L又比较小的情况下，当激光垂直于超声场的传播方向入射到声光介质中时，将产生明显的喇曼－奈斯声光衍射现象。在这种情况下，超声光栅类似于平面光栅，当光通过时，将产生多级衍射，而且各级衍射的极大值对称分布在零级条纹的两侧，其强度依次递减。

　　设超声波波长为λs，波矢量Ks指向x正方向，而入射光波矢量Ki指向y轴正方向，两者呈正交。

　　当应变较小时，并暂时略去时间t的依赖关系，则折射率随空间位置x的变化关系为：

　　n(x)=n0-ΔnsinKsx　　　　　　　　　　（20－54）

　　由于介质的折射率发生周期性变化，所以会对入射光束的相位进行调制。出射的光波已不再是平面波，其等相面是一个由n(x)决定的皱折曲面。其各级极大值的衍射角θ应满足公式：

　　λssinθ=±mλ　　　　　　　　　　　　　　　　（20－55）

　　式中λs为超声波波长；λ为入射光波长。

　　其各级衍射的光强值为：

　　Im=Jm2(v)　　　　　　　　（20－56）

　　v=2π/λΔnL

　　上式中Jm2(v)为m阶贝塞尔函数；v表示由于折射率变化Δn而引起的被调制光束的相位变化。

　　②布喇格衍射。当超声波频率较高，且声光介质较厚时，入射光线以一定角度（θi）入射，则产生布喇格声光衍射。布喇格声光衍射的衍射光不是对称分布的，当光以某一特定角度入射时，较高阶衍射可以忽略，只出现零级和＋1级或－1级（视入射光方向而定）衍射光。若能合理选择参数，超声波足够强，可使入射光能量较集中地转移到零级和＋1级（或－1级）衍射极大值上。因而光束能量可以得到充分的利用，获得较高的效率。

　　为了讨论布喇格衍射条件，我们可以将超声场作用的声光介质，近似比拟为间隔为λs的一系列反射镜面，光入射镜面上时，将产生部分反射和部分透射。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……）。

　　2．声光调制器。声光调制器是由声光介质、电声换能器、吸声（或反射）装置及驱动电源等组成。

　　（1）声光介质。声光介质是声光相互作用的场所，常用的声光材料有液体、玻璃和无晶体等。表20－2列出了常用几种声光介质材料及其物理性能。

　　表20－2 常用声光介质材料及性能

　　声光介质材料的性能对调制器的质量有直接的影响。因此合理选择声光材料是很重要的。主要应考虑以下几方面因素：

　　①提高调制效率，减小声功率。调制器的调制效率是用调制后的光强（即衍射光强）与入射光强的比值来表征。即

　　η=I/Ii=sin2(v/2)　　　　　　　　（20－63）

　　式中v表示由于折射率变化Δn而引起的被调制光的相位变化。即

　　v=π(2/λ2.(L/b).(n6.p2/pvs3)Pλ)1/2=π(2/λ2(L/b)M2Pλ)1/2（20－64）

　　式中：b为声场宽度；Pλ为声功率；P为光弹系数；p为密度；n为折射率；vs为声速。

　　M2＝n6.p2/pvs3称声光材料的品质因数。

　　由式（20－64）可知，v∝M2，即M2越大，v越大，因而调制效率越高。另外，当η一定时，为了减小声功率，也要求选择品质因素M2较大的材料。

　　②调制器应有较大调制带宽。根据布喇格条件有θB＝λ／2λs，显然，布喇格条件将随光波和声波的波长变化而变化，从而引起衍射角偏离布喇格角，结果衍射的1级光强变小。取1级衍射光强下降到相对中心频率时光强的一半，定义为带宽Δfs，则有

　　Δfs＝1.8nvs2/πλLfs　　（20－65）

　　由式（20－65）知，声光材料的（nvs2）值越大，可调制的带宽越宽。

　　综上所述，为了提高调制器的调制效率，应选择M2大的材料，即要选用高折射率、低声速的介质。而为了使调制带宽较大，则又要求选用声速较高的介质 。所以在选用材料时，应根据调制器的具体需求，综合考虑这些因素，以确定合适材料。

　　（2）电声换能器（又称超声波发生器）。它的作用是将调制电信号转换成声信号，使在声光介质中建立起超声场。通常是应用某些压电晶体（石英、铌酸铌等）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。所以它是一个机械振动系统，又是一个与外加调制电源有联系的电振荡系统。它是由调制电源驱动工作的。

　　为了使换能器发出的超声波最大限度地传入声光介质，换成器的声阻抗应尽能接近介质的阻抗，调制器发出的超声波最大限度地传入声光介质，换能器的声阻抗应尽可能接近介时，可采用环氧树脂作为耦合粘接介质。当工作频率较高时，采用铟或铟锡合金镀制适当厚度，可以得到较好的耦合效果。如果把铟、铅交替镀制，既可提高超声波发射强度，又可提高调制器的稳定性。

　　（3）吸声（或反射）装置。该装置是放置在超声源的对面，用以吸收已通过介质的声波（工作于行波状态），以免返回介质中产生干扰。通常可在层面涂上吸收性强的铅橡胶等物质，也可采用将端面磨一定角度，使回波在侧面产生多次反射而衰减。若使超声场工作在驻波状态，则需要将声吸收装置换成声反射装置，端面可由高反射率金属材料制成。

　　作为声光调制器来说，无论属于哪种类型（喇曼－奈斯型衍射或布喇格型衍射），调制器都有两种工作方式，一种是将零级光束作为输出；另一种是将1级衍射光束作为输出。当声波振幅随着调制信号改变时，各级衍射光的强度也将随之发生相应变化。若将某一级衍射光和为输出，利用光阑将其它衍射级遮拦，则从光阑孔出射的光束就是调制光。所以，如果用频率为f的信号电压加在电声换能器上，由此在声光介质中形成超声场的频率为fs，当光波通过该调制器时，将产生一个频率为2fs的调制光。