基于聲光效應(yīng)的音頻聲光通信研究

1、    基于聲光效應(yīng)的音頻聲光通信研究    白秀麗 張秀賢摘要：分析了基于聲光效應(yīng)的布拉格衍射的基本原理，對布拉格衍射時聲光器件的調(diào)制、帶寬和中心頻率特性進(jìn)行實驗研究， 并對音頻聲光模擬通信過程進(jìn)行了詳細(xì)分析，為聲光通信的實際應(yīng)用研究提供了可靠依據(jù)。關(guān)鍵詞：聲光效應(yīng)；布拉格衍射；幅度調(diào)制；頻率特性；音頻聲光通信：tn929.13 ：a ：1007-9416（2018）07-0042-03超聲波在介質(zhì)波中的傳播，會引起介質(zhì)光折射率的周期性調(diào)制，形成所謂“聲光柵”。光通過聲光柵，導(dǎo)致光傳播方向的偏轉(zhuǎn)（聲光衍射）和衍射光強(qiáng)度的調(diào)制，這就是聲光效應(yīng)。早在193

2、2年法國的lucas和biquard就對聲光效應(yīng)做了實驗研究。1960年激光器的問世1，為聲光器件的研究提供了理想的光源，人工晶體如linbo3和teo2等的成功生產(chǎn)為聲光器件提供了性能優(yōu)良的聲光材料2，使得聲光器件具有良好的發(fā)展前景。通過改變超聲波的頻率和功率，可實現(xiàn)對衍射光束的強(qiáng)度、頻率和方向的調(diào)制。利用聲光效應(yīng)制成的聲光調(diào)制器、聲光偏轉(zhuǎn)器和可調(diào)諧濾光器等聲光器件，在激光技術(shù)、光通信技術(shù)和表面波技術(shù)等方面有著重要的應(yīng)用3-5。聲光效應(yīng)可產(chǎn)生布拉格衍射（bragg）和拉曼納斯衍射，但通過合理選擇參數(shù)，布拉格一級衍射效率理論上可達(dá)到100%，而喇曼-納斯衍射中一級衍射光的最大衍射效率僅為34%

3、3。因此，本文主要對布拉格衍射條件下聲光器件的性能進(jìn)行研究，利用origin軟件對進(jìn)行實驗數(shù)據(jù)處理，詳盡分析了聲光調(diào)制的幅度特性及頻率特性；通過構(gòu)建聲光通信實驗系統(tǒng)，對音頻聲光模擬通信進(jìn)行了研究。1 基于聲光效應(yīng)bragg衍射的基本原理高頻率的超聲波會增大聲光相互作用長度（l），當(dāng)光波與聲波面成一定角度入射時，此時的聲擾動介質(zhì)等效于周期結(jié)構(gòu)立體相位光柵。當(dāng)聲光作用的距離滿足l>2s2/（為光波波長，s為超聲波波長）時，且光波的入射角滿足布拉格衍射角時，各級衍射光在介質(zhì)內(nèi)相互干涉，抵消了高級次衍射光，只剩0級和+1級（或-1 級）衍射光的現(xiàn)象，稱為布拉格衍射，衍射光強(qiáng)如圖1所示。當(dāng)發(fā)生布拉

4、格衍射時，設(shè)入射光強(qiáng)為ii，則1級衍射光強(qiáng)可表示為：上式中，n為聲致折射率的變化。在各向同性的介質(zhì)中，由應(yīng)變引起的折射率變化n可表示為：式中，p為介質(zhì)的彈光系數(shù)，s為聲場作用下介質(zhì)的彈性應(yīng)變幅值。則一級衍射光的衍射效率可表示為：式中，ps為超聲波功率，l和h為超聲換能器的長和寬，m2為反映聲光介質(zhì)本身性質(zhì)的一常數(shù)。2 聲光器件調(diào)制特性和頻率特性分析聲光效應(yīng)實驗中，光源選用波長為650nm的半導(dǎo)體激光器，中心頻率為100mhz的聲光器件，聲光介質(zhì)材料為鉬酸鉛（n=2.386），信號發(fā)生器的頻率可調(diào)范圍為80120mhz，功率信號源在0-100ma可調(diào)。2.1 聲光器件的頻率特性分析對聲光器件的頻

5、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)。在布拉格衍射下，固定超聲波功率，測量1級衍射光的相對強(qiáng)度i1與超聲波的頻率fs，利用origin軟件作出其關(guān)系曲線圖如圖2所示。一般規(guī)定衍射效率最大時對應(yīng)的工作頻率稱為聲光器件的中心頻率，衍射效率降到最大值的時對應(yīng)的頻寬間隔稱為聲光器件的帶寬6。由圖2可確定，該聲光器件的中心頻率為99.5mhz，此時衍射效率高達(dá)98.5%。找出相對強(qiáng)度下降到最高值的時對應(yīng)的頻率為：f1=85mhz，f2=108.5mhz?？芍獛抐s=23.5mhz。2.2 聲光調(diào)制特性分析布拉格衍射下，固定功率信號源的超聲波頻率在上述分析的的中心頻率99.5mhz上，記錄

6、0級光強(qiáng)（i0）和1級衍射光強(qiáng)（i1）以及超聲波功率（ps），可得出其相對聲光調(diào)制曲線如圖3所示。由圖可以看出：隨著信號源功率的增大，0級衍射光逐漸減小，1級衍射光逐漸增大。當(dāng)功率較低時，起主要作用的是0級衍射，當(dāng)功率大于72ma時，1級光強(qiáng)度超過了0級光強(qiáng)度，起主要作用的是1級衍射光。因此，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(qiáng)的控制。3 模擬聲光通信實驗利用聲光效應(yīng)產(chǎn)生的布拉格衍射，對音頻信號進(jìn)行調(diào)制，可實現(xiàn)聲光模擬通信，其實驗裝置原理圖如圖4所示。在模擬聲光通信實驗中，功率信號源打在“調(diào)幅”檔，信號發(fā)送器將音頻信號加載在由聲光功率信號源產(chǎn)生的高頻的聲波中。聲光功率信號源將調(diào)幅信號發(fā)

7、送至聲光器件，在聲光效應(yīng)的作用下發(fā)生布拉格衍射，衍射光光強(qiáng)被調(diào)制。載有調(diào)制信號的衍射光在光電池盒中被轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)過模擬通信接收器的解調(diào)、放大等處理，重現(xiàn)原信號，完成音頻信息的傳輸。在實驗前，首先要調(diào)節(jié)激光源功率及功率信號源幅度，使衍射光強(qiáng)適中，避免信號飽和引起的傳輸失真7。實驗解調(diào)信號可通過揚(yáng)聲器播放，為了更直觀也可通過示波器波形變化顯示出調(diào)制的過程，信號波形如圖5、圖6所示。首先，改變超聲波頻率的大小，當(dāng)頻率變大時，示波器上的光電信號隨之變密集，這是因為激光經(jīng)過調(diào)幅調(diào)制為載有音頻信號的信息，在示波器上顯示的波形因頻率變大而變得密集了，反過來波形會變得稀疏。其次，改變功率信號源的大小，示波

8、器上波形的振幅大小隨功率的增大而相應(yīng)增大，原因是功率的大小決定了超聲波的能量，也決定了對激光的調(diào)制能力，振幅也就隨功率相應(yīng)變化。從圖中可以看出，接收器重現(xiàn)的信號隨超聲波頻率和功率信號源的功率變化而變化，這是由于音頻信號在聲光器件中受到功率信號源的調(diào)幅調(diào)制。4 結(jié)語本文對布拉格衍射條件下聲光器件的調(diào)制特性和頻率特性進(jìn)行了實驗分析，結(jié)果顯示，該聲光器件有較高的中心頻率和較大的帶寬幅度，意味著可以在超聲載波中調(diào)制更高的模擬信號頻率。此外，本文還對音頻聲光通信進(jìn)行了模擬，實驗驗證了該聲光器件對音頻信號起到了很好的調(diào)制作用，在今后的研究中開展視頻信號的聲光通信實驗還有待進(jìn)一步的研究。該研究不僅為聲光效應(yīng)

9、實驗提供了完備的理論指導(dǎo)，更為聲光通信的實際應(yīng)用研究提供了可靠依據(jù)。參考文獻(xiàn)1lucas r， biquard p. propriétés optiques des milieux solides et liquides soumis aux vibrations élastiques ultra sonoresj.journal de physique，1932，3（10）：464-477.2嚴(yán)一民，陳嘯宇，王素飛，等.pbmoo4和teo2聲光偏轉(zhuǎn)器的仿真及特性分析j.壓電與聲光，2015，37（1）：10-12.3于艷春，李冠成，王秉坤，等.聲光效應(yīng)實驗裝置及實驗研究j.光學(xué)儀器，2004，26（6）：52-57.4付瓊，金韜，周詮. 基于聲光效應(yīng)的光束偏轉(zhuǎn)控制理論研究j.光子學(xué)報，2007，36（6）：1083-1087.5林偉，薛峰，張曄暉，等.聲光可調(diào)諧濾光器的原理與應(yīng)用j.微計算機(jī)信息，2005，（18）：127-128.6逯美紅，郝少倩，王志軍.基于聲光效應(yīng)的聲光器件特性研究j.通信技術(shù)，2012，（11）：102-105.7高晶.聲光調(diào)制器驅(qū)動源及其