聲光偏轉(zhuǎn)器的工作原理及性能指標

聲光偏轉(zhuǎn)器及其應用(一)

聲光偏轉(zhuǎn)器原理

聲光偏轉(zhuǎn)器是利用聲光效應而設計的功能器件，在光束控制、光信號處理、光計算、光通信等領域得到廣泛的應用。

聲光器件是福晶科技的核心器件產(chǎn)品，本期福晶小課堂推出《聲光偏轉(zhuǎn)器連載欄目》，連續(xù)三天為您系統(tǒng)詳盡地介紹關(guān)于聲光偏轉(zhuǎn)器的基礎原理、應用領域、產(chǎn)品系列等相關(guān)知識和發(fā)展方向。

圖1.1 聲場作用示意圖

在連載(一)中，我們首先來了解聲光偏轉(zhuǎn)器及其工作原理。

超聲波在晶體中傳播會使晶體折射率發(fā)生周期性變化，從而使入射光發(fā)生衍射的現(xiàn)象稱為聲光效應。聲光偏轉(zhuǎn)器(AODF)是基于聲光效應原理而開發(fā)的器件，偏轉(zhuǎn)角度可通過控制射頻驅(qū)動器的頻率來精確控制。與傳統(tǒng)振鏡掃描光束相比，聲光偏轉(zhuǎn)器具有超高掃描速度(掃描速度超過250KHz，而一般振鏡掃描頻率往往在KHz水平)，寬光譜范圍，高掃描分辨率，高光通量等優(yōu)點。

聲光效應

超聲波在聲光晶體中傳播時，會導致晶體折射率的周期性變化，類似產(chǎn)生一個相位體光柵，入射光發(fā)生衍射，如圖1.2所示?？赏ㄟ^改變超聲場功率和頻率的變化來有效控制衍射光的方向、強度和頻率[1]。

圖1.2 聲光效應原理圖

聲光效應最初在1922年被L.Brillouin所預言[2];美國科學家P.Debye和W.Sears通過實驗驗證了聲光衍射的存在[3];隨后由于激光的出現(xiàn)，從1966年到1976年，聲光相互作用理論與聲光器件的研究得到了迅速的發(fā)展，其中狄克遜的Dixon方程，W.R.Klein和B.D.Cook的聲光耦合波方程I.C.chang的動量匹配和失配理論不斷完善了人們對聲光效應的認知[4]。

C.Raman和N.Nath用耦合波方程對聲光衍射中的多級衍射光與一級衍射光的關(guān)系進行了解釋，并且把聲光作用方式分為布拉格(Bragg)衍射與拉曼-奈斯(Raman-Nath)衍射[5]。聲光相互作用存在一個特征長度L0，拉曼-奈斯聲光效應的相互作用區(qū)域比較短，L≤L0，聲光晶體相當于一個平面光柵，對入射光方向要求不嚴格，如圖1.3(a)所示，可以產(chǎn)生多級衍射光;布拉格聲光效應的相互作用區(qū)域比較長，L≥2L0，整個晶體相當于是一個體光柵，對入射光方向要求很嚴格，只有滿足布拉格條件的入射光才能產(chǎn)生衍射光，高級衍射光幾乎被相互抵消，只剩下0級和±1級衍射光，見圖1.3(b)。由于布拉格衍射具有極高的衍射效率，因此我們聲光器件的設計與應用多使用布拉格衍射。

(a)拉曼-奈斯衍射 (b)布拉格衍射

圖1.3聲光作用方式

聲光晶體

制作聲光器件需要具有彈性系數(shù)大、介質(zhì)均勻性好、聲速小、超聲衰減小、光透過范圍寬、尺寸大等特性的聲光晶體。目前主要使用的聲光晶體有鉬酸鉛(PbMoO4)、二氧化碲(TeO2)、鈮酸鋰(LiNbO3)、石英(Quartz)和熔融石英(Fused Silica)等材料，這些材料具有衍射效率高與工作帶寬大等特性，通過對工作模式的優(yōu)化，可實現(xiàn)器件功能的優(yōu)化設計。

聲光偏轉(zhuǎn)器工作原理

聲光偏轉(zhuǎn)器主要由聲光介質(zhì)和電聲換能器組成，模型如圖1.4所示，聲光介質(zhì)是聲光相互作用的媒介，電聲換能器也稱超聲波發(fā)生器，作用是將電功率轉(zhuǎn)化為聲功率，使得在介質(zhì)中產(chǎn)生超聲場。由于聲波是一種彈性波，聲波在介質(zhì)中傳播會產(chǎn)生彈性應變，這種現(xiàn)象稱為彈光效應，彈性形變又會導致介質(zhì)折射率發(fā)生變化。這種折射率的變化載有聲波信息，效果相當于在介質(zhì)上建立了折射率光柵，其間隔等于聲波的波長。超聲波頻率隨不同頻率的接收信號改變時，光柵間隔也跟變化。在一定條件下，光束穿過折射率光柵時會發(fā)生布拉格衍射。電聲換能器輸入電壓信號的變化可改變聲波頻率，控制不同角度的聲波偏轉(zhuǎn)。布拉格衍射時，理論上入射光束能量可以全部轉(zhuǎn)化到衍射光束，衍射效率級高。

圖1.4 聲光偏轉(zhuǎn)器原理示意圖

由聲光布拉格衍射理論可知，光束以θi角入射產(chǎn)生的衍射極角應滿足布拉格條件：

其中θi為入射角，θd為衍射角，θB為布拉格角。

布拉格衍射角一般很小，與光波長λ，聲波長λs和晶體折射率n有關(guān)，可以寫為：

故衍射光與入射光夾角(偏轉(zhuǎn)角)為布拉格角2倍，即：

可知，聲速vs確定，改變超聲波頻率fs，就可以改變偏轉(zhuǎn)角θ，進而達到控制光束傳播方向的目的，超聲波頻率改變Δfs引起光束偏轉(zhuǎn)角的變化為：

所以，當聲光器件工作于布拉格模式時，衍射光束方向與超聲波頻率和入射光束有關(guān)，且偏轉(zhuǎn)范圍與Δfs成正比。

性能指標

聲光偏轉(zhuǎn)器的主要性能指標包括如下的衍射效率、可分辨點數(shù)、速度容積比、偏轉(zhuǎn)時間、帶寬等。

動量匹配的布拉格衍射下，一級衍射光衍射效率為：

式中，L、H、Pa、M2分別為換能器的長度、寬度、超聲波功率及聲光優(yōu)值，M2是描述聲光晶體本身性質(zhì)的常數(shù)，表達式為：

其中，ρ為晶體密度。ni和nd分別為入射光與衍射光折射率，Peff為有效聲光系數(shù)。由衍射效率公式可知，參數(shù)合適時衍射效率可為1。

可分辨點數(shù)N決定聲光偏轉(zhuǎn)器件的容量，

定義為：

Δα為總掃描角，Δφ為光束本身發(fā)散角。

偏轉(zhuǎn)時間等于渡越時間τ，τ定義為超聲波通過激光束寬度w所用時間，

即：

數(shù)值的大小是設計聲光偏轉(zhuǎn)器的重要指標，稱為速度容積比，該指標只取決于器件的工作帶寬Δf。

在聲光相互作用過程中，超聲波使入射光束在一定頻率范圍內(nèi)實現(xiàn)布拉格衍射，該頻率范圍稱為布拉格帶寬。布拉格衍射需滿足動量匹配條件Δk=0，θi與f的關(guān)系由Dixon方程確定，每一個入射角θi對應唯一的超聲頻率f。因此在超聲頻率內(nèi)選擇合適方向的超聲波，使入射角滿足Dixon方程，就是主要考慮的布拉格帶寬問題。設頻帶的高端頻率為fH，低端頻率fL，二者滿足

由上式可以看出，確定了器件的工作帶寬即可確定器件的中心頻率fc以及高、低端頻率。定義非超聲跟蹤的聲光互作用相對帶寬為：

上式稱為倍頻程帶寬，在聲光器件優(yōu)化設計上，相對帶寬要小于或等于0.67。

伴隨光電子技術(shù)的發(fā)展，聲光器件以其優(yōu)異的性能已在諸多領域得到廣泛的應用。在下期的連載中我們將詳細介紹聲光偏轉(zhuǎn)器的性能優(yōu)勢和應用領域。

審核編輯：湯梓紅