聲光偏轉器

簡介

自發明雷射器以來，其套用研究十分活躍，現已廣泛套用於記錄、測量和顯示等領域內。使這些套用成為可能的因素是雷射調製和偏轉技術的發展，其中，利用聲光效應的器件起了極大的作用。利用聲光效應的器件與鏇轉多面鏡等機械式器件相比，具有無振動和騷聲、壽命為半永久的等特點。與電光器件相比，在高速動作方面具有不利之處，但在溫度穩定度和消光比方面卻具優越性，可根據用途的不同而用作有效的器件。
為了能夠通過電路信號對雷射的方向進行控制並縮短反應延遲，實驗中多使用聲光偏轉器對雷射方向進行操控。

原理

如果在透明玻璃和晶體等超聲媒質中產生超音波，則會引起周期性的折射率變化而成為相位型衍射柵，如果讓雷射束入射到超聲媒質中，雷射束就產生衍射，衍射光的強度和方向隨超音波的強庫和頻率的狀態而變化。這就是超音波與光的相互作用，即聲光效應。該效應就是聲光調製器和聲光偏轉器的工作原理。
聲光效應的衍射分為拉曼-奈斯衍射與布拉格衍射，由於拉曼-奈斯衍射效率較低，所以多採用布拉格衍射，基於布喇格衍射的聲光調製器是使零級光或一級光的強度隨調製信號而變化的調製器。設入射雷射束的強度為I時，一級衍射光的強度I_1為I_1=\sin^2(K\sqrt{P}/λ) (1)
如圖，除未偏轉的零級光以外只產生下式所示的一級衍射光
Q =\sin^{-1}（λ/2Λ）\congλ/2Λ (2)
如使Λ，即超音波的波長變化，一級衍射光的方向則發生變化。這就是聲光偏轉器的原理。設超音波的傳播速度為v，頻率為 f 時，存在如下關係
Λ =\frac{v}{f}(3)
將式 (3) 代入式 (2)，則得
Q\cong\frac{f}{2v}λ
超音波的頻率從f_1變到f_2的光束的偏轉角為\theta_B\cong\frac{f_2-f_1}{v}λ (4)
聲光調製器與聲光偏轉器無本質差別，超音波的頻率保持恆定而衍射光的強度發生變化的則為聲光調製器；超音波的頻率發生變化，衍射光的強度始終保持一定而其方向發生變化的就是聲光偏轉器。因此，用一個器件就可 以實現聲光調製器和聲光偏轉器的工作。實際上，市場上就出售這樣的器件。

主要參數

在選擇聲光器件所用的超音波媒質時，除考慮透光率等光學特性之外，還會考慮超音波的傳播損耗和性能參數。式(1) 所示一級衍射光的式子中的常數K為
K =\frac{\pi}{\sqrt{2}}\sqrt{\frac{L}{H}M}(5)
式中，L和H為在垂直於光的行進方向的超音波束的展寬；M 是用下式定義的性能參數：
M =\frac{n^6p^2}{\rho v^3}(6)
式中，n是超音波媒質的折射率，P是光彈常數，\rho是密度，v是超音波的聲速。M由媒質的物質常數確定，M值 越大，媒質的衍射效率就越高。由式(6)可知折射率大、聲速慢的材料，具有的性能參數就大。廣泛使用的超聲媒質有PbMoO_4、TeO_2、碲化物玻璃、重火石玻璃等，PbMoO_4、TeO_2晶體材料的性能參數大，其特點是即使在高頻情況下也能使用。玻璃材料容易獲得大的塊體，而且比晶體材料便宜，但其高頻傳播損耗大，因而主要用於低頻用器件。聲光器件中使用的材料與一般的光學玻璃其折射率大，如不塗防反射膜，光的插入損耗就大。

特性

頻率特性

聲光偏轉器的驅動頻率與一級衍射光強度的關係一般如圖所示，
在中心頻率f_0兩端，1級衍射光強度下降。其原因是換能器的頻率特性和布喇格條件的偏離所引起的。如果用1級衍射光強度從最大值下降到一恆定值的頻率f_1和f_2定義頻頻寬度\Delta f
\Deltaf =f_1-f_2(7)
由式(4)可知，偏振角\theta_B\cong\frac{f_2-f_1}{v}λ =\frac{\Delta f}{v}λ (8)
比如，設λ = 0.515μm ，f_2= 70MHz ，f_1= 40MHz ，v= 3.4km/s，那么\theta_B=4.54\times10^{-3}rad。該偏轉角比鏇轉 鏡 和電流計等機械式偏轉器小2個數量級。

分辨點數

聲光偏轉器的解析度根據在偏轉角範圍內可以分辨多少個光點來評價，這就是分辨點數。分辨點數由聲光偏轉器的偏轉角和雷射束的發散角確定。下示出了用偏轉角為的聲光偏轉器使波長為λ、直徑為D的雷射束偏轉，然後用 焦距f_1的透鏡聚焦的情況。
雷射束的發散角\theta_1為\theta_1=\frac{4}{\pi D}λ(9)
在透鏡的焦面上，直徑由下式求得的光點隨偏轉而移動 d =f_1\theta_1=\frac{4f_1}{\pi D}λ (10)
光點隨偏轉而移動的距離L為 L =f_1\theta_d(11)
因而，可分辨光點數N 為：N =\frac{\pi D\Delta f}{4v}(12)
比如，設D = 10mm，\Deltaf = 3.4km/s，那么，N= 69。

存取時間

用聲光偏轉器使光偏轉時，光點在任意兩點間移動所需的最小時間就稱為存取時間，它由橫穿光束的超音波的傳播時間確定。即，設媒質中的光束直徑為D、超音波速度為v，存取時間\tau_d則為
\tau_d=\frac{D}{v}(13)
由式(8)與式(13)可知，偏轉和高解析度存在相反的關係，在套用聲光偏轉器中當然應充分考慮。

使用要點

在用聲光調製器和偏轉器進行雷射束調製和偏轉的場合，必須 注意雷射束的偏振方向。這在使用玻璃媒質的器件中，是不成問題的，但在用晶體媒質的器件中，有時衍射效率會因偏振方向而降低，因而必須使甩在指定方各偏振的雷射束。
為了實現寬頻寬、高效率、通常用球面透鏡和柱透鏡將雷射束聚二焦。這種場合，必須考慮焦點上的超音波煤質中的能量密度不能超過規定值，如超過規定值，媒質往往會受損傷，同時雷射光點發生形，有時在極端情況下則不能進行調製。
雷射束入射到器件上的位置，在實用中具有重要意義。即，在聲光調製器中，從加調製信號到產生對應於該信號的衍射光之間有一延遲時間。延遲時間取決於從換能器到雷射束入射位置之間的距離。要縮短延遲時間，最好讓雷射束靠近換能器入射，但如靠得太近，則存在因換能器發熱而導致光點形變等可能性。

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