基于聲光效應(yīng)的聲光器件特性研究*

逯美紅，郝少倩，王志軍

(①長治學(xué)院電子信息與物理系，山西 長治 046011；②浙江師范大學(xué)數(shù)理與信息工程學(xué)院，浙江 金華 321004 )

0 引言

超聲波入射到透明媒質(zhì)，由于媒質(zhì)折射率的空間周期性變化，使通過媒質(zhì)的超聲波光線發(fā)生改變，這種現(xiàn)象稱為聲光效應(yīng)。利用聲光效應(yīng)中的Bragg衍射和拉曼-納斯衍射制成的聲光器件，具有輸入光學(xué)系統(tǒng)簡單、控制方便、能承受大光功率、響應(yīng)時(shí)間快等優(yōu)點(diǎn)。隨著聲光材料性能的不斷提高和新聲光介質(zhì)的出現(xiàn)，使聲光器件具有良好的發(fā)展前景，如聲光偏轉(zhuǎn)器、聲光調(diào)制器和可調(diào)諧濾光器等在光電子技術(shù)、光通信技術(shù)、激光技術(shù)、聲表面波技術(shù)等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用，它將不斷地滿足工業(yè)、科學(xué)、軍事等方面的需求[1]。從實(shí)驗(yàn)和理論兩方面對聲光器件的聲光偏轉(zhuǎn)和聲光調(diào)制的特性進(jìn)行測量分析，并在此基礎(chǔ)上，計(jì)算了聲速，確定了聲光器件的中心頻率和帶寬，理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，一方面通過調(diào)節(jié)入射超聲波頻率可以實(shí)現(xiàn)入射光束方向的改變，彌補(bǔ)了一些高頻振動(dòng)環(huán)境下傳統(tǒng)的機(jī)械調(diào)節(jié)方式改變光束方向的不足；另一方面通過控制超聲波功率，就可實(shí)現(xiàn)控制聲光衍射的衍射光束強(qiáng)度。

1 聲光效應(yīng)中Bragg衍射的理論基礎(chǔ)

由于超聲波是一種彈性波，在介質(zhì)中傳播時(shí)將產(chǎn)生隨時(shí)間和空間周期性變化的彈性應(yīng)變，因此，彈性應(yīng)變將隨之引起介質(zhì)內(nèi)的折射率發(fā)生相應(yīng)的變化，此時(shí)該介質(zhì)就如同一個(gè)相位光柵。當(dāng)光通過這一受到超聲波擾動(dòng)的介質(zhì)時(shí)就會(huì)發(fā)生光的衍射，即聲光衍射。衍射光束的強(qiáng)度、頻率和方向等都隨著入射超聲波的變化而變化[2]。該衍射現(xiàn)象根據(jù)入射角、超聲波頻率以及聲作用區(qū)的長度等不同的實(shí)驗(yàn)條件又可分為拉曼-奈斯（Raman-Nath）衍射和Bragg（Bragg）衍射。當(dāng)超聲波頻率較高時(shí)，激光束相對于超聲波波面以某一角度iθ斜入射且滿足時(shí)，產(chǎn)生Bragg衍射[3]。式中：L為聲光作用長度，λ為光波波長，sλ為超聲波波長。這種衍射效應(yīng)的特點(diǎn)是衍射光強(qiáng)分布不對稱，只會(huì)出現(xiàn)0級(jí)和1±級(jí)衍射條紋。實(shí)際應(yīng)用中的聲光器件通常都產(chǎn)生Bragg衍射，所以本文重點(diǎn)研究聲光效應(yīng)的Bragg衍射現(xiàn)象。入射光波和介質(zhì)中的超聲波作用可用一個(gè)聲子和光子彈性碰撞作用，即光子吸收或輻射一個(gè)聲子來解釋。

一個(gè)聲子和光子的相互作用如圖1所示。彈性碰撞過程中由能量和動(dòng)量守恒可得：

式中，sv為超聲波波速，sf為超聲波頻率。由此可得Bragg衍射所滿足的入射角方程，也就是聲光效應(yīng)中Bragg衍射滿足的條件：

因?yàn)椴祭窠且话愣己苄?，故衍射光相對于入射光的偏轉(zhuǎn)角Φ為:

圖1 聲子吸收過程和受激輻射

理論上,利用聲光耦合理論也可以給出布喇格衍射條件下，一級(jí)衍射光的衍射效率為[4-5]：

式中，1I為一級(jí)衍射光強(qiáng)度，iI為入射光強(qiáng)度，極大衍射效率η為第1級(jí)衍射光強(qiáng)與入射光強(qiáng)之比，Φ為衍射光相對于入射光的偏轉(zhuǎn)角度，SP為超聲波的功率，D和H分別表示超聲換能器的長和寬，為反映聲光介質(zhì)本身性質(zhì)的一常數(shù)，ρ為介質(zhì)密度，p為光彈系數(shù)。理論上聲光效應(yīng)中布喇格衍射的衍射效率可達(dá)100%。

通過式（6）可以看出，Bragg衍射的1級(jí)衍射光相對于入射光的偏轉(zhuǎn)角度Φ與超聲波頻率sf成線性關(guān)系，所以改變超聲波的頻率，即可實(shí)現(xiàn)控制入射激光光束的方向，這就是聲光偏轉(zhuǎn)的原理。

通過式（7）可以看出，由于給定的聲光材料和換能器中, M、D、H都是常量。所以當(dāng)sP改變時(shí)，η也隨之而改變。也就是說通過控制超聲波功率sP(即控制加在換能器上的電功率)就實(shí)現(xiàn)控制Bragg衍射的衍射光強(qiáng)度，這就是聲光調(diào)制器的原理。

2 聲光效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

聲光效應(yīng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的原理圖如圖2所示。實(shí)驗(yàn)選用激光光源是波長為650 nm的半導(dǎo)體激光器，中心頻率為100 MHz的聲光器件，聲光介質(zhì)材料為鉬酸鉛，介質(zhì)折射率為 2.386，介質(zhì)中的超聲波波速為 3 632 m/s，實(shí)驗(yàn)中，為了滿足布拉赫衍射時(shí)入射角的條件，聲光介質(zhì)固定在可圓周變換角度的調(diào)節(jié)臺(tái)上，半導(dǎo)體激光器射出的光束準(zhǔn)確地從聲光器件外塑料盒的小孔射入，穿過聲光介質(zhì)，同時(shí)功率信號(hào)源輸出頻率范圍為80～120 MHz的輸出電信號(hào)傳入聲光器件，由聲光器件另一端的小孔射出，照射到型號(hào)為LM601的CCD（光敏元中心距為11μm，光敏面至光強(qiáng)儀面板距離為4.5 mm）采集窗口上，然后將采集到的信號(hào)經(jīng)由 USB200數(shù)據(jù)采集盒傳輸給計(jì)算機(jī)，由工作軟件處理數(shù)據(jù)并畫出曲線。

實(shí)驗(yàn)中，為了得到滿意的波形，調(diào)節(jié)光路時(shí)使激光垂直通過聲光介質(zhì)外塑料盒的兩個(gè)小孔，并使聲光器件盡量靠近激光器。同時(shí)，由于CCD對外界光感應(yīng)非常靈敏，所以實(shí)驗(yàn)對環(huán)境條件有一定的要求。通過調(diào)節(jié)圓周調(diào)節(jié)臺(tái)的角度以改變激光入射角度，可得到有超聲波入射時(shí)得到的光滑的雙峰波形（0級(jí)與1級(jí)光同時(shí)出現(xiàn)），當(dāng)1級(jí)衍射光對應(yīng)的峰值最高時(shí),即為Bragg衍射。

圖2 聲光效應(yīng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理示意圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

3.1 聲光偏轉(zhuǎn)特性分析

實(shí)驗(yàn)上，對微機(jī)上得到的Bragg衍射圖形鎖定后，讀出0、1級(jí)衍射光的強(qiáng)度值，進(jìn)而計(jì)算1級(jí)光的偏轉(zhuǎn)角，改變超聲波頻率sf測量偏轉(zhuǎn)角Φ的變化。實(shí)驗(yàn)中，只出現(xiàn)0級(jí)和1級(jí)光衍射光，一般衍射角很小，所以可用來計(jì)算偏轉(zhuǎn)角。ΔL為1級(jí)衍射光與0級(jí)光的偏轉(zhuǎn)距離，L表示從聲光介質(zhì)的光束出射面到CCD線陣光敏面的距離，考慮到CCD器件光敏面至光強(qiáng)儀前面板的固定距離為4.5 mm，所以實(shí)驗(yàn)中所測的L=(702.5+4.5) mm。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。由上，得到sfΦ-的聲光偏轉(zhuǎn)關(guān)系曲線如圖3所示。由所測的數(shù)據(jù)可以可以計(jì)算出超聲波在聲光介質(zhì)材料中的速度而實(shí)際上，聲光介質(zhì)中（鉬酸鉛）的聲速約為3 632.00 m/s。由此，相對誤差實(shí)際聲速與實(shí)驗(yàn)所的得到的聲速相對誤差較小，說明該實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果是可信的。由圖3可以看出，Bragg衍射角與超聲波頻率基本成線性關(guān)系,這與理論分析吻合。也就是說，通過改變超聲波的頻率（實(shí)際是改變換能器上電信號(hào)的頻率）即可改變光束的出射方向，這就是聲光偏轉(zhuǎn)器的原理。但其理論值與實(shí)驗(yàn)值之間有一定差距，其原因是理論分析中沒有考慮光在介質(zhì)中的折射，將布喇格衍射角定義為入射光和衍射光的夾角，由此導(dǎo)致兩者的差別。

3.2 聲光調(diào)制頻率特性分析

一般情況下，在器件材料和結(jié)構(gòu)參數(shù)一定的情況下，不同頻率的超聲波其衍射效率也是不一樣的，有些頻率對應(yīng)的衍射效率相對較低，當(dāng)衍射效率最大時(shí)對應(yīng)的工作頻率稱為聲光器件的中心頻率。一般規(guī)定衍射效率或衍射光的相對光強(qiáng)下降到最大值的時(shí)對應(yīng)的頻寬間隔稱為聲光器件的帶寬。所以，對頻率特性分析而言，中心頻率和帶寬是兩個(gè)非常重要的參數(shù)。

表1 布喇格衍射角測量數(shù)據(jù)記錄及聲速的數(shù)據(jù)處理

圖3 超聲波頻率與偏轉(zhuǎn)角關(guān)系曲線

實(shí)驗(yàn)中，使用了80～120 MHz頻率可調(diào)的信號(hào)發(fā)生器，記錄Bragg衍射0級(jí)光光強(qiáng)0I和1級(jí)光光強(qiáng)1I以及超聲波功率sP數(shù)據(jù)。利用Origin軟件作出相對光強(qiáng)與超聲波功率關(guān)系如圖4所示。由圖可以看出: 隨著超聲波功率的增大，0級(jí)衍射光逐漸減小,1級(jí)衍射光逐漸增大。當(dāng)功率較低時(shí)，起主要作用的是0級(jí)衍射，當(dāng)功率較高時(shí)，起主要作用的是1級(jí)衍射。隨著超聲功率的逐漸增大，光強(qiáng)也隨之從0級(jí)向1級(jí)轉(zhuǎn)移，也就是說可以通過調(diào)節(jié)超聲波功率的大小實(shí)現(xiàn)對衍射光光強(qiáng)的控制，這就是聲光調(diào)制原理。由測量數(shù)據(jù)可以計(jì)算出衍射效率最大可達(dá)97%。

在布喇格衍射條件下，固定超聲波功率sP=72 mA，記錄 0級(jí)和 1級(jí)衍射光的強(qiáng)度，相對強(qiáng)度，記錄其測量數(shù)據(jù)。利用Origin8繪制出頻率和相對強(qiáng)度的關(guān)系曲線如圖5所示。由此可確定出聲光器件的中心頻率0f=99.29 MHz，利用Origin8找出相對強(qiáng)度下降到最高值的時(shí)對應(yīng)的頻率為：，。帶寬的定義可知帶寬MHz。

圖4 超聲波功率與光強(qiáng)關(guān)系實(shí)驗(yàn)曲線

圖5 頻率和0級(jí)1級(jí)相對強(qiáng)度關(guān)系曲線

4 結(jié)語

聲光器件作為一種光電子器件，其核心技術(shù)就是通過聲光器件的幅度、頻率等調(diào)制以實(shí)現(xiàn)電、聲、光信息之間的傳遞和轉(zhuǎn)換[6]?；谝陨峡紤]，從理論和實(shí)驗(yàn)上對聲光器件的特性進(jìn)行研究，為聲光器件的實(shí)際應(yīng)用提供可靠依據(jù)。另外，還計(jì)算了超聲波波速并確定了聲光器件的中心頻率和帶寬，為聲光器件的進(jìn)一步應(yīng)用研究有很好的參考價(jià)值。

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