基于声光效应的声光器件特性研究*

逯美红，郝少倩，王志军

(①长治学院电子信息与物理系，山西 长治 046011；②浙江师范大学数理与信息工程学院，浙江 金华 321004 )

0 引言

超声波入射到透明媒质，由于媒质折射率的空间周期性变化，使通过媒质的超声波光线发生改变，这种现象称为声光效应。利用声光效应中的Bragg衍射和拉曼-纳斯衍射制成的声光器件，具有输入光学系统简单、控制方便、能承受大光功率、响应时间快等优点。随着声光材料性能的不断提高和新声光介质的出现，使声光器件具有良好的发展前景，如声光偏转器、声光调制器和可调谐滤光器等在光电子技术、光通信技术、激光技术、声表面波技术等领域有着重要的应用，它将不断地满足工业、科学、军事等方面的需求[1]。从实验和理论两方面对声光器件的声光偏转和声光调制的特性进行测量分析，并在此基础上，计算了声速，确定了声光器件的中心频率和带宽，理论和实验结果证明，一方面通过调节入射超声波频率可以实现入射光束方向的改变，弥补了一些高频振动环境下传统的机械调节方式改变光束方向的不足；另一方面通过控制超声波功率，就可实现控制声光衍射的衍射光束强度。

1 声光效应中Bragg衍射的理论基础

由于超声波是一种弹性波，在介质中传播时将产生随时间和空间周期性变化的弹性应变，因此，弹性应变将随之引起介质内的折射率发生相应的变化，此时该介质就如同一个相位光栅。当光通过这一受到超声波扰动的介质时就会发生光的衍射，即声光衍射。衍射光束的强度、频率和方向等都随着入射超声波的变化而变化[2]。该衍射现象根据入射角、超声波频率以及声作用区的长度等不同的实验条件又可分为拉曼-奈斯（Raman-Nath）衍射和Bragg（Bragg）衍射。当超声波频率较高时，激光束相对于超声波波面以某一角度iθ斜入射且满足时，产生Bragg衍射[3]。式中：L为声光作用长度，λ为光波波长，sλ为超声波波长。这种衍射效应的特点是衍射光强分布不对称，只会出现0级和1±级衍射条纹。实际应用中的声光器件通常都产生Bragg衍射，所以本文重点研究声光效应的Bragg衍射现象。入射光波和介质中的超声波作用可用一个声子和光子弹性碰撞作用，即光子吸收或辐射一个声子来解释。

一个声子和光子的相互作用如图1所示。弹性碰撞过程中由能量和动量守恒可得：

式中，sv为超声波波速，sf为超声波频率。由此可得Bragg衍射所满足的入射角方程，也就是声光效应中Bragg衍射满足的条件：

因为布喇格角一般都很小，故衍射光相对于入射光的偏转角Φ为:

图1 声子吸收过程和受激辐射

理论上,利用声光耦合理论也可以给出布喇格衍射条件下，一级衍射光的衍射效率为[4-5]：

式中，1I为一级衍射光强度，iI为入射光强度，极大衍射效率η为第1级衍射光强与入射光强之比，Φ为衍射光相对于入射光的偏转角度，SP为超声波的功率，D和H分别表示超声换能器的长和宽，为反映声光介质本身性质的一常数，ρ为介质密度，p为光弹系数。理论上声光效应中布喇格衍射的衍射效率可达100%。

通过式（6）可以看出，Bragg衍射的1级衍射光相对于入射光的偏转角度Φ与超声波频率sf成线性关系，所以改变超声波的频率，即可实现控制入射激光光束的方向，这就是声光偏转的原理。

通过式（7）可以看出，由于给定的声光材料和换能器中, M、D、H都是常量。所以当sP改变时，η也随之而改变。也就是说通过控制超声波功率sP(即控制加在换能器上的电功率)就实现控制Bragg衍射的衍射光强度，这就是声光调制器的原理。

2 声光效应的实验系统

声光效应实验系统的原理图如图2所示。实验选用激光光源是波长为650 nm的半导体激光器，中心频率为100 MHz的声光器件，声光介质材料为钼酸铅，介质折射率为 2.386，介质中的超声波波速为 3 632 m/s，实验中，为了满足布拉赫衍射时入射角的条件，声光介质固定在可圆周变换角度的调节台上，半导体激光器射出的光束准确地从声光器件外塑料盒的小孔射入，穿过声光介质，同时功率信号源输出频率范围为80～120 MHz的输出电信号传入声光器件，由声光器件另一端的小孔射出，照射到型号为LM601的CCD（光敏元中心距为11μm，光敏面至光强仪面板距离为4.5 mm）采集窗口上，然后将采集到的信号经由 USB200数据采集盒传输给计算机，由工作软件处理数据并画出曲线。

实验中，为了得到满意的波形，调节光路时使激光垂直通过声光介质外塑料盒的两个小孔，并使声光器件尽量靠近激光器。同时，由于CCD对外界光感应非常灵敏，所以实验对环境条件有一定的要求。通过调节圆周调节台的角度以改变激光入射角度，可得到有超声波入射时得到的光滑的双峰波形（0级与1级光同时出现），当1级衍射光对应的峰值最高时,即为Bragg衍射。

图2 声光效应实验系统原理示意图

3 实验结果及讨论

3.1 声光偏转特性分析

实验上，对微机上得到的Bragg衍射图形锁定后，读出0、1级衍射光的强度值，进而计算1级光的偏转角，改变超声波频率sf测量偏转角Φ的变化。实验中，只出现0级和1级光衍射光，一般衍射角很小，所以可用来计算偏转角。ΔL为1级衍射光与0级光的偏转距离，L表示从声光介质的光束出射面到CCD线阵光敏面的距离，考虑到CCD器件光敏面至光强仪前面板的固定距离为4.5 mm，所以实验中所测的L=(702.5+4.5) mm。实验数据如表1所示。由上，得到sfΦ-的声光偏转关系曲线如图3所示。由所测的数据可以可以计算出超声波在声光介质材料中的速度而实际上，声光介质中（钼酸铅）的声速约为3 632.00 m/s。由此，相对误差实际声速与实验所的得到的声速相对误差较小，说明该实验所得结果是可信的。由图3可以看出，Bragg衍射角与超声波频率基本成线性关系,这与理论分析吻合。也就是说，通过改变超声波的频率（实际是改变换能器上电信号的频率）即可改变光束的出射方向，这就是声光偏转器的原理。但其理论值与实验值之间有一定差距，其原因是理论分析中没有考虑光在介质中的折射，将布喇格衍射角定义为入射光和衍射光的夹角，由此导致两者的差别。

3.2 声光调制频率特性分析

一般情况下，在器件材料和结构参数一定的情况下，不同频率的超声波其衍射效率也是不一样的，有些频率对应的衍射效率相对较低，当衍射效率最大时对应的工作频率称为声光器件的中心频率。一般规定衍射效率或衍射光的相对光强下降到最大值的时对应的频宽间隔称为声光器件的带宽。所以，对频率特性分析而言，中心频率和带宽是两个非常重要的参数。

表1 布喇格衍射角测量数据记录及声速的数据处理

图3 超声波频率与偏转角关系曲线

实验中，使用了80～120 MHz频率可调的信号发生器，记录Bragg衍射0级光光强0I和1级光光强1I以及超声波功率sP数据。利用Origin软件作出相对光强与超声波功率关系如图4所示。由图可以看出: 随着超声波功率的增大，0级衍射光逐渐减小,1级衍射光逐渐增大。当功率较低时，起主要作用的是0级衍射，当功率较高时，起主要作用的是1级衍射。随着超声功率的逐渐增大，光强也随之从0级向1级转移，也就是说可以通过调节超声波功率的大小实现对衍射光光强的控制，这就是声光调制原理。由测量数据可以计算出衍射效率最大可达97%。

在布喇格衍射条件下，固定超声波功率sP=72 mA，记录 0级和 1级衍射光的强度，相对强度，记录其测量数据。利用Origin8绘制出频率和相对强度的关系曲线如图5所示。由此可确定出声光器件的中心频率0f=99.29 MHz，利用Origin8找出相对强度下降到最高值的时对应的频率为：，。带宽的定义可知带宽MHz。

图4 超声波功率与光强关系实验曲线

图5 频率和0级1级相对强度关系曲线

4 结语

声光器件作为一种光电子器件，其核心技术就是通过声光器件的幅度、频率等调制以实现电、声、光信息之间的传递和转换[6]。基于以上考虑，从理论和实验上对声光器件的特性进行研究，为声光器件的实际应用提供可靠依据。另外，还计算了超声波波速并确定了声光器件的中心频率和带宽，为声光器件的进一步应用研究有很好的参考价值。

[1] 程乃平,江修富,邵定蓉.Bragg声光器件在现代军事领域中的应用[J].遥测遥控,1999,20(02):59-63.

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