聲光偏轉器及其應用(一)

聲光偏轉器原理

聲光偏轉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品，本期福晶小課堂推出《聲光偏轉器連載欄目》，連續三天為您系統詳盡地介紹關于聲光偏轉器的基礎原理、應用領域、產品系列等相關知識和發展方向。

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器及其工作原理。

超聲波在晶體中傳播會使晶體折射率發生周期性變化，從而使入射光發生衍射的現象稱為聲光效應。聲光偏轉器(AODF)是基于聲光效應原理而開發的器件，偏轉角度可通過控制射頻驅動器的頻率來精確控制。與傳統振鏡掃描光束相比，聲光偏轉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，類似產生一個相位體光柵，入射光發生衍射，如圖1.2所示。可通過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，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，可以產生多級衍射光;布拉格聲光效應的相互作用區域比較長，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大、介質均勻性好、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化，可實現器件功能的優化設計。

聲光偏轉器工作原理

聲光偏轉器主要由聲光介質和電聲換能器組成，模型如圖1.4所示，聲光介質是聲光相互作用的媒介，電聲換能器也稱超聲波發生器，作用是將電功率轉化為聲功率，使得在介質中產生超聲場。由于聲波是一種彈性波，聲波在介質中傳播會產生彈性應變，這種現象稱為彈光效應，彈性形變又會導致介質折射率發生變化。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。布拉格衍射時，理論上入射光束能量可以全部轉化到衍射光束，衍射效率級高。

圖1.4 聲光偏轉器原理示意圖

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，可以寫為：

故衍射光與入射光夾角(偏轉角)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，且偏轉范圍與Δfs成正比。

性能指標

聲光偏轉器的主要性能指標包括如下的衍射效率、可分辨點數、速度容積比、偏轉時間、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值，M2是描述聲光晶體本身性質的常數，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。由衍射效率公式可知，參數合適時衍射效率可為1。

可分辨點數N決定聲光偏轉器件的容量，

定義為：

Δα為總掃描角，Δφ為光束本身發散角。

偏轉時間等于渡越時間τ，τ定義為超聲波通過激光束寬度w所用時間，

即：

數值的大小是設計聲光偏轉器的重要指標，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實現布拉格衍射，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，在聲光器件優化設計上，相對帶寬要小于或等于0.67。

伴隨光電子技術的發展，聲光器件以其優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器的性能優勢和應用領域。

審核編輯：湯梓紅