声光调制器原理和技术

声光调制器原理和技术 (信息科学与工程学院江苏·南京) 3.1 声光调制器简介 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器。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。根据它的用途特点可分为:脉冲声光调制器、线性声光调制器、正弦声光调制器、红外声光调制器等。 3.2 声光调制器的工作原理 声光调制器由声光介质和压电换能器构成。当驱动源的某种特定载波频率驱动换能器时,换能器即产生同一频率的超声波并传入声光介质,在介质内形成折射率声变化,光束通过介质时即发生相互作用而改变光的传播方向即产生衍射,如图1所示。 入射光 衍射光 调制信号 图1 布拉格衍射原理图 衍射模式有布拉格衍射和拉曼-奈斯型衍射。激光腔外使用的声光调制器一般采用布拉格型,衍射角为: sinθd≈θd=(λ0/υ)f1 一级光衍射效率η为: η1=I1/IT=sin2(Δψ/2) Δψ=(π/λ0)√2LM2Pa/H 式中λ0为光波长;V为声光介质中的声速;I1为一级光衍射强度;L为声光互作用长度;H为声光互作用宽(高)度;M2为声光品质因数;Pa为声功率。 当外加信号通过驱动电源作用到声光器件时,超声强度随此信号变化,衍射光强也随之变化,从而实现了对激光的振幅或强度调制;当外加信号仅为载波频率且不随时间变化时,衍射光的频率发生变化而达到移频。 t P s I d (f m ) f m (I s ) 图2 衍射光随调制信号的变化 3.3 声光调制器主要的参量 3.3.1 光波长: 用于声光互作用的有效波长; 3.3.2 光波长范围: 满足声光性能参数规约的光波长宽度; 3.3.3 工作频率: 声光器件工作的声载波频率; 3.3.4 衍射效率: 级光强(或衍射光强)与透过声光介质总光强的百分比值 3.3.5 脉冲重复率: 脉冲信号包络的时间周期的倒数; 3.3.6 光脉冲上升时间: 脉冲信号前沿从 10%上升到 90%稳定值的时间; 3.3.7 动态调制度: 信号包络的最大值 Imax 和最小值 Imin ,按公式 Imax-Imin/Imax+Imin 计算的数值; 3.3.8 调制带宽: 以低频信号的最大调制度为基值,改变调制信号直到调制度下降 3dB 所对应的频率宽度; 3.3.9 线性度: 一级衍射光强与控制电压改变的关系曲线的线性状况; 3.3.10 电压可调范围: 满足线性度指标的控制电压范围; 3.3.11 线性光强等级: 衍射光强度随控制电压改变所能达到可分辨的光强变化等级,亦 可称之为灰度等级; 3.3.12 消光比:一级光衍射光方向上器件处于“开”状态的最佳衍射光强与“关”状态下 的杂散光强之比值; 3.3.13 光学透过率:声光介质插入光路中的透过光强与自由光路的光强之百分比值; 3.3.14 移频带宽: 以中心频率处衍射光强的最大值为基准,衍射光强随声载波频率改变 而下降至 3dB 所对应的带宽。 3.4 常用的声光调制器 3.4.1 自由空间声光调制器 的自由空间声光调制器用于对激光束的数字或模拟的强度调制。主要技术参数如下: 波长范围:240nm 到 2100nm 驱动频率:20MHz 到 350MHz 光学上升时间:5ns 调制带宽:宽达100MHz 工作介质:二氧化碲、钼酸铅、熔融石英、石英晶体、燧石玻璃 使用数字RF 驱动器,外控TTL 信号可以快速开关激光束;使用模拟RF 驱动器,可以调节输出激光功率和输入激光功率的比率,典型调节范围为0%到85%。 最大调制带宽或光学上升时间是超声波穿越激光束时间的函数。因此,为了获得最快的速度,一般将激光束聚焦 在调制器中最小光斑。 3.4.2 光纤耦合声光调制器 光纤耦合声光调制器的主要特征为: 波长:1310nm 或 1550nm 驱动频率:40MHz、80MHz 或 110MHz 光学上升时间:10ns 工作介质:二氧化碲和硫族玻璃(Chalcogenide Glass) 选项:单模、偏振和多模、有无接头,有二光纤、三光纤、四光纤结构。