《复习相关知识》PPT课件

1、2021-11-122021-11-12 共共2929页页 1 1复习相关知识复习相关知识 声波在介质中传播时，使介质产生弹性形变，引声波在介质中传播时，使介质产生弹性形变，引起介质的密度呈疏密相间的交替分布，因此，介质的起介质的密度呈疏密相间的交替分布，因此，介质的折射率也随着发生相应的周期性变化。这好像一个光折射率也随着发生相应的周期性变化。这好像一个光学学“相位光栅，光栅常数等于声波长相位光栅，光栅常数等于声波长 s。当光波经。当光波经过此介质时，会产生光的衍射。衍射光的强度、频率、过此介质时，会产生光的衍射。衍射光的强度、频率、方向等都随着超声场的变化而变化。方向等都随着超声场的变化而

2、变化。声光晶体等价于一个相位光栅声光晶体等价于一个相位光栅2021-11-122021-11-12 共共2929页页 2 2 拉曼拉曼-纳斯衍射纳斯衍射产生拉曼产生拉曼-纳斯衍射的条件：当超声波频率较低，光纳斯衍射的条件：当超声波频率较低，光波平行于声波面入射，声光互作用长度波平行于声波面入射，声光互作用长度L较短时，较短时，在光波经过介质的时间内，折射率的变化可以忽略在光波经过介质的时间内，折射率的变化可以忽略不计，那么声光介质可近似看作为相对静止的不计，那么声光介质可近似看作为相对静止的“平平面相位栅。面相位栅。拉曼拉曼-纳斯衍射的特点纳斯衍射的特点 ：由出射波阵面上各子波源发：由出射波阵

3、面上各子波源发出的次波将发生相关作用，构成与入射方向对称分出的次波将发生相关作用，构成与入射方向对称分布的多级衍射光。布的多级衍射光。2021-11-122021-11-12 共共2929页页 3 3各级衍射的方位角为最大值的位置各级衍射的方位角为最大值的位置 ：), 2, 1, 0(sinmmkkmsism各级衍射光的强度为：各级衍射光的强度为： nLLknvvJIimm2)(),(22021-11-122021-11-12 共共2929页页 4 4衍射效率为：衍射效率为：)2(21sin21nLIIisPSnn321。可以实现对光强的调制改变，一级衍射光的强度将有关。改变值，与超声驱动功率

4、场作用下的弹性应变幅为声光晶体在声，是声光晶体的弹光系数ssPPSPisII12021-11-122021-11-12 共共2929页页 5 5布喇格衍射布喇格衍射产生布喇格衍射条件：声波频率较高，声光作用长度产生布喇格衍射条件：声波频率较高，声光作用长度L较大，光束与声波波面间以一定的角度斜入射，介较大，光束与声波波面间以一定的角度斜入射，介质具有质具有“体光栅的性质。体光栅的性质。 布喇格衍射的特点：衍射光各高级次衍射光将相互抵布喇格衍射的特点：衍射光各高级次衍射光将相互抵消，只出现消，只出现0级和级和+1级或级或1级衍射光级衍射光 。 2021-11-122021-11-12 共共292

5、9页页 6 6衍射效率为：衍射效率为：sisPMHLLII2212sin M2为声光资料的质量因数，为声光资料的质量因数，Ps超声功率；超声功率；H为换能器的宽为换能器的宽度，度，L为换能器的长度。同样的改动超声功率，也可以到达为换能器的长度。同样的改动超声功率，也可以到达改动一级衍射光的强度。改动一级衍射光的强度。 isII12021-11-122021-11-12 共共2929页页 7 7一一. 声光调制器的任务原理声光调制器的任务原理 声光调制是利用声光效应将信息加载于光频载波上的一种物理过程。 调制信号是以电信号(调辐)方式作用于电-声换能器上，电-声换能器将相应的电信号转化为变化的超

6、声场，当光波经过声光介质时，由于声光作用，使光载波遭到调制而成为“携带信息的强度调制波。 3.3 声光调制声光调制(Acousto-optical Modulate)2021-11-122021-11-12 共共2929页页 8 8 声光体调制器是由声光介质、电声光体调制器是由声光介质、电声换能器、吸声声换能器、吸声(或反射或反射)安装及驱动电源等所组成。安装及驱动电源等所组成。 (1)声光介质，声光介质是声光互作用的声光介质，声光介质是声光互作用的场所。当一束光经过变化的超声场时，场所。当一束光经过变化的超声场时，由于光和超声场的互作用，其出射光就由于光和超声场的互作用，其出射光就具有随时间

7、而变化的各级衍射光，利用具有随时间而变化的各级衍射光，利用衍射光的强度随超声波强度的变化而变衍射光的强度随超声波强度的变化而变化的性质，就可以制成光强度调制器。化的性质，就可以制成光强度调制器。声光调制器构造声光调制器构造吸声安装吸声安装Laser inLaser out声光体调制器的组成声光体调制器的组成(2)电电声换能器声换能器(又称超声发生器又称超声发生器)(3)吸声吸声(或反射或反射)安装安装(放置在超声源的对面放置在超声源的对面)。(4)驱动电源驱动电源 它用以产生调制电信号施它用以产生调制电信号施加于电加于电声换能器的两端电极上，驱动声换能器的两端电极上，驱动声光调制器声光调制器(

8、换能器换能器)任务。任务。2021-11-122021-11-12 共共2929页页 9 9 声光调制是利用声光效应将信息加载于光频载波上的一种物理声光调制是利用声光效应将信息加载于光频载波上的一种物理过程。调制信号是以电信号过程。调制信号是以电信号(调辐调辐)方式作用于电声换能器上而转方式作用于电声换能器上而转化为以电信号方式变化的超声场，当光波经过声光介质时，由于化为以电信号方式变化的超声场，当光波经过声光介质时，由于声光作用，使光载波遭到调制而成为声光作用，使光载波遭到调制而成为“携带信息的强度调制波。携带信息的强度调制波。 由前面分析可知，无论是拉曼由前面分析可知，无论是拉曼纳斯衍射，

9、还是布拉格衍射，纳斯衍射，还是布拉格衍射，其衍射效率均与附加相位延迟因子其衍射效率均与附加相位延迟因子2nL有关，而其中声有关，而其中声致折射率差致折射率差n正比于弹性应变幅值正比于弹性应变幅值S，而，而S声功率声功率Ps，故当声波，故当声波场遭到信号的调制使声波振幅随之变化，那么衍射光强也将随之场遭到信号的调制使声波振幅随之变化，那么衍射光强也将随之做相应的变化。做相应的变化。2021-11-122021-11-12 共共2929页页 1010(1)、拉曼、拉曼-纳斯型声光调制器纳斯型声光调制器 调制器的任务原理如图调制器的任务原理如图1(a) 所示，任务声源频率低于所示，任务声源频率低于1

10、0MHz。只限于低频任务，带宽较小。只限于低频任务，带宽较小。 入射光入射光 衍射光衍射光 调制信号调制信号图图1 拉曼拉曼-纳斯型声光调制器纳斯型声光调制器2021-11-122021-11-12 共共2929页页 1111 对于拉曼对于拉曼纳斯型衍射，任务声频率低于纳斯型衍射，任务声频率低于10MHz，图，图(a)示出了这种调制器的任务原理，其各级衍射光强比例示出了这种调制器的任务原理，其各级衍射光强比例于于 。假设取某一级衍射光作为输出，可利用光栏将其。假设取某一级衍射光作为输出，可利用光栏将其他级的衍射光遮挡，那么从光栏孔出射的光束就是一个随他级的衍射光遮挡，那么从光栏孔出射的光束就是

11、一个随变变化的调制光。由于拉曼化的调制光。由于拉曼纳斯型衍射效率低，光能利用率也纳斯型衍射效率低，光能利用率也低，根据前面判据式低，根据前面判据式)(2nJ所确定的相互作用长度所确定的相互作用长度L小；当任务频率较高时，最大允许长度小；当任务频率较高时，最大允许长度太小，要求的声功率很高，因此拉曼太小，要求的声功率很高，因此拉曼纳斯型声光调制器只限纳斯型声光调制器只限于低频任务，只具有有限的带宽。于低频任务，只具有有限的带宽。2021-11-122021-11-12 共共2929页页 1212衍射光衍射光调制信号调制信号入射光入射光图图2 声光调制器布喇格型声光调制器布喇格型(2)、布喇格型声

12、光调制器、布喇格型声光调制器 布喇格型声光调制器任务原理如图布喇格型声光调制器任务原理如图2所示。所示。2021-11-122021-11-12 共共2929页页 1313布拉格声光调制特性曲线与电光强度调制类似。由图可以看出：布拉格声光调制特性曲线与电光强度调制类似。由图可以看出：衍射效率衍射效率与超声功率与超声功率Ps只是非线性调制曲线方式，为了使调制只是非线性调制曲线方式，为了使调制不发生畸变，那么需加超声偏置类似于电光调制中的偏压不发生畸变，那么需加超声偏置类似于电光调制中的偏压V /4 =V/2 ，使其任务在线性较好的区域。，使其任务在线性较好的区域。 tPsId(fm)fm(Is)

13、0PS1/2声光调制特性曲线声光调制特性曲线2021-11-122021-11-12 共共2929页页 1414 对于布拉格型衍射，其衍射效率由前面的式给出。布拉格对于布拉格型衍射，其衍射效率由前面的式给出。布拉格型声光调制器任务原理如型声光调制器任务原理如(b)所示。在声功率所示。在声功率Ps (或声强或声强Is )较小较小的情况下，衍射效率的情况下，衍射效率s 随声强度随声强度Is单调地添加单调地添加(呈线性关系呈线性关系)； 式中的式中的cosB因子是思索了布拉格角对声光作用的影响。由式因子是思索了布拉格角对声光作用的影响。由式可见，假设对声强加以调制，衍射光强也就遭到调制了。布拉格可见

14、，假设对声强加以调制，衍射光强也就遭到调制了。布拉格衍射必需使入射光束以布拉格角衍射必需使入射光束以布拉格角B入射，同时在相对于声波阵面入射，同时在相对于声波阵面对称方向接纳衍射光束时，才干得到称心的结果。布拉格衍射由对称方向接纳衍射光束时，才干得到称心的结果。布拉格衍射由于效率高，且调制带宽较宽，故多被采用。于效率高，且调制带宽较宽，故多被采用。2021-11-122021-11-12 共共2929页页 1515二二. 调制带宽调制带宽 调制带宽是声光调制器的一个重要参量，它是衡量能否无畸变地传输信息的一个重要目的，它受布喇格带宽的限制。 对于给定入射角和波长的光波，只需一个确定的频率和波对

15、于给定入射角和波长的光波，只需一个确定的频率和波矢的声波才干满足布拉格条件。当采用有限的发散光束和声波矢的声波才干满足布拉格条件。当采用有限的发散光束和声波场时，波束的有限角将会扩展，因此，在一个有限的声频范围场时，波束的有限角将会扩展，因此，在一个有限的声频范围内才干产生布拉格衍射。内才干产生布拉格衍射。2021-11-122021-11-12 共共2929页页 1616 允许的声频带宽与布喇格角的能够变化量之间的关系为 ：BBssnvfcos2Dnwsi,20 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 w0：入射光束束腰半径

16、；：入射光束束腰半径；n：为介质的折射率；：为介质的折射率；D：声束宽度。：声束宽度。)16388(页图参见教材iB2021-11-122021-11-12 共共2929页页 171700,2nwnwBi调制带宽调制带宽 Bssmwvffcos221)(0 由上述可知：声光调制器的带宽与声波穿国光束的度越时由上述可知：声光调制器的带宽与声波穿国光束的度越时间间w0/v0成反比，即与光束的直径成反比。用宽度小的光束成反比，即与光束的直径成反比。用宽度小的光束可以得到较大的带宽。但光束发散角不能太大，否那么，可以得到较大的带宽。但光束发散角不能太大，否那么，0级和级和1级衍射会有部分重叠，降低调制

17、的效果。级衍射会有部分重叠，降低调制的效果。21)(ssmffffmf )(即最大的调制带宽即最大的调制带宽 近似等于声频率近似等于声频率fs的一半。因此，大的的一半。因此，大的调制带宽要采用高频布喇格衍射才干得到。调制带宽要采用高频布喇格衍射才干得到。 2021-11-122021-11-12 共共2929页页 1818三三. 声光调制器的衍射效率声光调制器的衍射效率声光调制器的另一重要参量是衍射效率。要得到声光调制器的另一重要参量是衍射效率。要得到100的调制的调制所需求的声强度为所需求的声强度为 22222cosLMIBs所需的声功率所需的声功率 LHMHLIPBss2222cos202

18、1-11-122021-11-12 共共2929页页 1919 可见，声光资料的质量因数可见，声光资料的质量因数M2越大，欲获得越大，欲获得100%的衍射的衍射效率所需求的声功率越小。而且电声换能器的截面应做得长效率所需求的声功率越小。而且电声换能器的截面应做得长L大而窄大而窄H小。小。 HPMffsBscos22321022271)(MnvvPnMssf0：声中心频率，：声中心频率， 为表征声光资料的调制带宽特为表征声光资料的调制带宽特性的质量因数。性的质量因数。M1值越大，声光资料制成的调制器所允许的值越大，声光资料制成的调制器所允许的调制带宽越大。调制带宽越大。2021-11-12202

19、1-11-12 共共2929页页 2020四四. 声束和光束的匹配声束和光束的匹配 为了充分利用声能和光能，以为声光调制器比较合理的情况为了充分利用声能和光能，以为声光调制器比较合理的情况是任务于声束和光束的发散角比，是任务于声束和光束的发散角比，)()(声束发散角光束发散角i1ssvf /对于声光调制器，为了提高衍射光的消光比，希望衍射光尽对于声光调制器，为了提高衍射光的消光比，希望衍射光尽量与量与0级光分开，要求衍射光中心和级光分开，要求衍射光中心和0级光中心之间的夹角大级光中心之间的夹角大于于 ，即大于，即大于 。 由于衍射光和由于衍射光和0级光之间的夹级光之间的夹角即偏转角等于角即偏转角等