声光调制器
声光调制器控制激光束强度变化。声光调制器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，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。
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工作原理：
玻璃和透明晶体等超声媒质中产生超声波，会引起周期性的折射率变化而成为相位型衍射栅。如果让激光束入射到超声媒质中，激光束就产生衍射，衍射光的强度和方向随超声波的强库和频率的状态而变化。这就是超声波与光的相互作用，即声光效应。利用其一级衍射光的衍射效率可变的特性，能够调节光强。还能根据所加电压的有无，用于做成激光的开关。
目前主要有两种声光调制器：自由空间声光调制器和光纤耦合声光调制器。主要用在彩色印刷、激光成像和显示、光纤通讯开关、仪器及科研中。
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高功率全光纤声光调制器(AOM)
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声光调制器原理和技术
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声光调制器原理和技术
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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。
编辑：徐玲珑
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频道白皮书第九节　磁光、电光和声光效应
人为双折射现象
（与电场有关交叉项中不含z轴，z仍为主轴）
第九节　磁光、电光和声光效应
外界作用的大小、方向
影响双折射的性质
实现透射光的相位、强度、偏振态的调制
一、旋光和磁光效应
(一）、固有旋光现象
　　物质固有的能使在其中传播的线偏振光振动面发生偏转的现象——固有旋光现象。
1、旋光现象及规律
如图，P⊥A，C为石英晶片，光轴如图
观察分析：
有光自A出射，为线偏光。
转A，有消光位置。
偏转角（固体）或（液体）　　　　　　　　α、为旋光系数∝波长、浓度、材料性质。
F为滤色片，有旋光色散，
左旋、右旋物质存在，对着光传播方向右（左）旋→顺时针（逆时针）　
2、旋光现象的解释
假设晶体中沿光轴方向传播的线偏光由等频率、反向旋转的圆偏振光组成，且其传播速度不同，右旋物质中，，左旋物质中，则相反
如图：透过厚度为l旋光物质产生的相位差为
　相应转过角度为
当，，右传，右旋物质
　，，左旋，左旋物质
石英晶片通常可制作波片，也可制作旋光片，为什么？
由石英晶体中光线面及相应光振动形式讨论。
▲旋光片与半波片之不同：
出射光偏振态
平行于晶面
取决于入射光振动面与波片快、慢轴夹角
只对某一波片出射线偏振光
垂直于晶面
对确定旋向的晶体只向一个方向旋转与传播方向有关
对任何波长均出射线偏振光
▲几种旋光元件：
(二）、磁致旋光效应
▲磁致旋光效应及特性
　　外界磁场作用下，物质产生双折射。
　　如图，P⊥A，不通电时无光出射，外加磁场后，有光从A出射，　　A有消光位置。
入射线偏光振动面偏转。
　式中：V——物质特性常数，称维尔德常数。
　　　　B——外加磁场（沿着光传播方向）。
　　　　l——磁场中透过的物质厚度。
磁致旋光方向只与磁场方向有关，与光传播方向无关。
　如图，多次反射增大旋光角度
(三）、磁光效应的应用
光隔离器：
利用磁致旋光只依赖于磁场方向，而与光传播方向无关的性质制成。
　原理分析：
　　控制电流磁场，以控制光矢量的偏转，得到重新消光位置，偏转角与糖浓度有关。
磁光调制器：
原理：由马吕斯定律得输出光强为:
　　　　表明，P，A透光轴夹角θ给定时，I取决于其间法拉第盒上　　磁致旋光引起的转角。
　　　　因此，控制法拉第盒的励磁电流，可控制系统输出光强，　　这就是磁光调制的原理。
例子：用磁光调制原理精确检测消光位置，可达±1″定位精度（如图）
a）为I（θ）～θ关系曲线（）
θ≠0（非消光）时，得输出光强为调制信号频率的基频
θ=90°（消光）时，输出光强为二倍频信号
b）基频调制信号
c）二倍频对准信号
d）0.3″偏离不对准信号
二、电光效应——电场引起的双折射
（一）泡克耳斯效应（一级电光效应）
外加电场引起的双折射只与电场的一次方成正比。
1、纵向电光效应
外加电场的方向与光的传播方向平行
以KDP晶体（磷酸二氢钾）为例
KDP晶体（负单轴晶体）的折射率椭球方程为：
&&&&&&&&&&
（z轴为光轴）
沿z轴加入电场后，方程变为：
或写成新椭球方程：
两个新主轴为、，在z=0平面内x、y
轴转过45°的方向上。对应的三个主折射率为：
可知，晶片后产生的附加相位差为
相应的出射光强为
（P⊥A，且与主轴x′，y′成45°）
式中：l为两电极间距，γ为纵向电光系数。
上式表明：电场方向与透光方向与KDP晶体光轴方向一致时，δ～
U，γ，且与l无关。
晶体透射率曲线——强度随电压变化曲线。
见图：当U=0，δ=0，I=0
当U=时，δ=π，
称为晶体的半波电压，γ大时，
2、横向电光效应
电场方向与光传播方向互相垂直
仍以KDP晶体为例：
沿z向加电场，光沿x′方向传播，则沿z和y′方向振动的线偏振光有不同的传播速度。
经晶体出射产生的相位差为：　
　　　　　　　　　　　　　　　　外加电场引起
　　　　　↓
自然双折射影响
横向电光效应有自然双折射影响。
使l/h大，即晶体呈扁平状，可使/2小。
横向效应的并联形式（如图b），使自然双折射影响相消，而电光延迟累加。
纵向运用时，采用晶体并联；晶体上电极并联，使电光相位延迟累加，而电压降为1/N。
（二）克尔效应(平方电光效应）
如图，P⊥A，
未加电场，犹如P、A间为一各向同性介质。
外加电场，犹如P、A间加入光轴在电场方向的单轴晶体。
与电场平行和垂直方向上产生的双折射率差为
（K为克尔系数）
（P⊥A，且与光轴成45°）
（三）电光效应的应用。
电光开关：
利用半波电压的加入和除去，使系统处于关闭或全开状态。
其开关建立延迟时间为秒。
用于高速电光开关，光切割器及脉冲调Q开关。
电光调制：
工作原理：
电光光强调制器例子（纵向运用）：
▲见图，P⊥A，且与主振动方向成45°，
其输出与外加电压成正比。
▲光学偏置。利用产生实现。
▲见下图，调制器工作点在非线性区，出现输出信号失真。
调制器工作在线性区（加片）出现不失真的输出信号。
如交流调制信号，
将工作点移到透射率曲线的线性区。
电光偏转：
利用在电光晶体上加与不加半波电压，有可能使o、e光在空间位置　上分离，从而达到控制光束位置的目的。
▲电光偏转器——起偏器+电光晶体+双折射晶体
例：数字式电光偏转器（如图布置，KDP晶体纵向运用）
■未加电压时，以o光从双折射晶体出射。
■加半波电压后，在双折射晶体中，o光→e光，发生偏转，从另一　位置出射。
如图，二级电光偏转器（两个电光偏转器组合)
其中：、取向一致，、取向一致，改变加在、上　的电压（或0），使光束偏转到四个相应位置上，同时使厚度，得均匀排列光斑。
三、声光效应
声波是弹性波。
　　声波在媒质中传播时，由于弹性应变，媒质的折射率随空间和时间周期地变化，光通过媒质时会发生衍射，这种现象称为声光效应。
若沿z方向传播的纵声波使媒质粒子位移引起的应变为：
其中：——应变幅值；，——声波圆频
率、波数 。
可知，媒质的折射率为
上式表明，当纵声波入射时，介质折射率随空间位置和时间呈周
期变化，由此介质可视为一运动的声光栅。
声光衍射的光栅方程为：
&光栅常数（声光波长）光波波长
1、布喇格声光衍射
布喇格衍射的产生：
布喇格衍射的条件：
如图，声波波面形成一排排反射层，其相邻间隔等于声波波长
布喇格衍射条件： （类同于光栅衍射。声波为正弦波）
表明：只存在0，+1级（或-1级）衍射波。在+1（或-1）级衍射
方向上有最大衍射光强。
2、喇曼—奈斯声光衍射
喇曼—奈斯衍射的产生
喇曼—奈斯衍射特征
①各级衍射波最大值方向满足条件
，零级两侧光强呈对称分布
②第m级衍射光的频率（见图示）
3、声光效应的应用
⑴声光器件
声光器件的性能指标
①衍射效率η
：声光媒质的品质因数；L:声波波面宽度；h:换能器高度；：声强；：声波功率。
②带宽Δf（允许的声频变化范围）
　　Δf大，则允许的信号频域越宽，或偏角范围越大，且能分辨的光点数目越多。
　　衍射光束偏转范围Δθ，光束发散角Φ与能分辨的光点数N之关系为：
式中，τ——声波越过光束的时间；
　　　Δf——声光偏转器的带宽，Δf应小于中心频率；
　　　——声光调制器的中心频率。
⑵声光调制
声光调制原理：通过改变超声波的强度来改变衍射光的强度，而实　现调制。
工作方式：可以以0级1级衍射光作为输出。一般η为60%～100%。
几种声光调制器的技术性能参数
光谱范围μm
衍射效率（%）
通光口径mm
0.44～0.85
0.44～0.633
▲加上超声波时，布喇格衍射光偏离腔的轴线，而受损失。
▲不加超声波时，光束透过均匀声光介质不发生偏折，使Q值陡升。
⑶声光偏转
声光偏转原理：通过改变超声波的频率以改变衍射光的偏转方向。
工作方式：采用布喇格衍射作声光偏转，得衍射光相对于入射光的　偏转角与超声波频率成正比，由布喇格条件为：
⑷声光频谱分析
　　用声光布喇格衍射作输入信号的频谱分析。
如图，声光盒放在透镜前焦面上，当平行光入射时，衍射角为：
会聚于透镜后焦面上（f为某一频率的射频正弦信号），后焦
面上得到射频信号的频谱（功率谱），即许多光点。其分布取决
于声频分量的频率，其强度与声频分量的功率成正比。
章&&&&&&& 第