基于聲光效應的聲光器件特性研究*

逯美紅，郝少倩，王志軍

(①長治學院電子信息與物理系，山西 長治 046011；②浙江師范大學數(shù)理與信息工程學院，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。利用聲光效應中的Bragg衍射和拉曼-納斯衍射制成的聲光器件，具有輸入光學系統(tǒng)簡單、控制方便、能承受大光功率、響應時間快等優(yōu)點。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、光通信技術、激光技術、聲表面波技術等領域有著重要的應用，它將不斷地滿足工業(yè)、科學、軍事等方面的需求[1]。從實驗和理論兩方面對聲光器件的聲光偏轉(zhuǎn)和聲光調(diào)制的特性進行測量分析，并在此基礎上，計算了聲速，確定了聲光器件的中心頻率和帶寬，理論和實驗結(jié)果證明，一方面通過調(diào)節(jié)入射超聲波頻率可以實現(xiàn)入射光束方向的改變，彌補了一些高頻振動環(huán)境下傳統(tǒng)的機械調(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，就可實現(xiàn)控制聲光衍射的衍射光束強度。

1 聲光效應中Bragg衍射的理論基礎

由于超聲波是一種彈性波，在介質(zhì)中傳播時將產(chǎn)生隨時間和空間周期性變化的彈性應變，因此，彈性應變將隨之引起介質(zhì)內(nèi)的折射率發(fā)生相應的變化，此時該介質(zhì)就如同一個相位光柵。當光通過這一受到超聲波擾動的介質(zhì)時就會發(fā)生光的衍射，即聲光衍射。衍射光束的強度、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)的長度等不同的實驗條件又可分為拉曼-奈斯（Raman-Nath）衍射和Bragg（Bragg）衍射。當超聲波頻率較高時，激光束相對于超聲波波面以某一角度iθ斜入射且滿足時，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。這種衍射效應的特點是衍射光強分布不對稱，只會出現(xiàn)0級和1±級衍射條紋。實際應用中的聲光器件通常都產(chǎn)生Bragg衍射，所以本文重點研究聲光效應的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聲子和光子彈性碰撞作用，即光子吸收或輻射一個聲子來解釋。

一個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，也就是聲光效應中Bragg衍射滿足的條件：

因為布喇格角一般都很小，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，一級衍射光的衍射效率為[4-5]：

式中，1I為一級衍射光強度，iI為入射光強度，極大衍射效率η為第1級衍射光強與入射光強之比，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)。理論上聲光效應中布喇格衍射的衍射效率可達100%。

通過式（6）可以看出，Bragg衍射的1級衍射光相對于入射光的偏轉(zhuǎn)角度Φ與超聲波頻率sf成線性關系，所以改變超聲波的頻率，即可實現(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sP改變時，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)就實現(xiàn)控制Bragg衍射的衍射光強度，這就是聲光調(diào)制器的原理。

2 聲光效應的實驗系統(tǒng)

聲光效應實驗系統(tǒng)的原理圖如圖2所示。實驗選用激光光源是波長為650 nm的半導體激光器，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，實驗中，為了滿足布拉赫衍射時入射角的條件，聲光介質(zhì)固定在可圓周變換角度的調(diào)節(jié)臺上，半導體激光器射出的光束準確地從聲光器件外塑料盒的小孔射入，穿過聲光介質(zhì)，同時功率信號源輸出頻率范圍為80～120 MHz的輸出電信號傳入聲光器件，由聲光器件另一端的小孔射出，照射到型號為LM601的CCD（光敏元中心距為11μm，光敏面至光強儀面板距離為4.5 mm）采集窗口上，然后將采集到的信號經(jīng)由 USB200數(shù)據(jù)采集盒傳輸給計算機，由工作軟件處理數(shù)據(jù)并畫出曲線。

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

圖2 聲光效應實驗系統(tǒng)原理示意圖

3 實驗結(jié)果及討論

3.1 聲光偏轉(zhuǎn)特性分析

實驗上，對微機上得到的Bragg衍射圖形鎖定后，讀出0、1級衍射光的強度值，進而計算1級光的偏轉(zhuǎn)角，改變超聲波頻率sf測量偏轉(zhuǎn)角Φ的變化。實驗中，只出現(xiàn)0級和1級光衍射光，一般衍射角很小，所以可用來計算偏轉(zhuǎn)角。ΔL為1級衍射光與0級光的偏轉(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器件光敏面至光強儀前面板的固定距離為4.5 mm，所以實驗中所測的L=(702.5+4.5) mm。實驗數(shù)據(jù)如表1所示。由上，得到sfΦ-的聲光偏轉(zhuǎn)關系曲線如圖3所示。由所測的數(shù)據(jù)可以可以計算出超聲波在聲光介質(zhì)材料中的速度而實際上，聲光介質(zhì)中（鉬酸鉛）的聲速約為3 632.00 m/s。由此，相對誤差實際聲速與實驗所的得到的聲速相對誤差較小，說明該實驗所得結(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系,這與理論分析吻合。也就是說，通過改變超聲波的頻率（實際是改變換能器上電信號的頻率）即可改變光束的出射方向，這就是聲光偏轉(zhuǎn)器的原理。但其理論值與實驗值之間有一定差距，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，有些頻率對應的衍射效率相對較低，當衍射效率最大時對應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下降到最大值的時對應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)角關系曲線

實驗中，使用了80～120 MHz頻率可調(diào)的信號發(fā)生器，記錄Bragg衍射0級光光強0I和1級光光強1I以及超聲波功率sP數(shù)據(jù)。利用Origin軟件作出相對光強與超聲波功率關系如圖4所示。由圖可以看出: 隨著超聲波功率的增大，0級衍射光逐漸減小,1級衍射光逐漸增大。當功率較低時，起主要作用的是0級衍射，當功率較高時，起主要作用的是1級衍射。隨著超聲功率的逐漸增大，光強也隨之從0級向1級轉(zhuǎn)移，也就是說可以通過調(diào)節(jié)超聲波功率的大小實現(xiàn)對衍射光光強的控制，這就是聲光調(diào)制原理。由測量數(shù)據(jù)可以計算出衍射效率最大可達97%。

在布喇格衍射條件下，固定超聲波功率sP=72 mA，記錄 0級和 1級衍射光的強度，相對強度，記錄其測量數(shù)據(jù)。利用Origin8繪制出頻率和相對強度的關系曲線如圖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找出相對強度下降到最高值的時對應的頻率為：，。帶寬的定義可知帶寬MHz。

圖4 超聲波功率與光強關系實驗曲線

圖5 頻率和0級1級相對強度關系曲線

4 結(jié)語

聲光器件作為一種光電子器件，其核心技術就是通過聲光器件的幅度、頻率等調(diào)制以實現(xiàn)電、聲、光信息之間的傳遞和轉(zhuǎn)換[6]?；谝陨峡紤]，從理論和實驗上對聲光器件的特性進行研究，為聲光器件的實際應用提供可靠依據(jù)。另外，還計算了超聲波波速并確定了聲光器件的中心頻率和帶寬，為聲光器件的進一步應用研究有很好的參考價值。

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