聲光調(diào)制知識(shí)講解課件

《光電子技術(shù)》PhotoelectronicTechnique第八講聲光調(diào)制周自剛

《光電子技術(shù)》本講主要內(nèi)容一、器件結(jié)構(gòu)與功能二、工作原理三、性能指標(biāo)四、波導(dǎo)調(diào)制器本講主要內(nèi)容一、器件結(jié)構(gòu)與功能二、工作原理三、性能指標(biāo)四、

聲光調(diào)制是利用聲光效應(yīng)將信息加載于光頻載波上的一種物理過程。調(diào)制信號(hào)是以電信號(hào)(調(diào)幅)形式作用于電-聲換能器上，將相應(yīng)的電信號(hào)→超聲場(chǎng)，當(dāng)光波通過聲光介質(zhì)時(shí)，由于聲光作用，使光載波受到調(diào)制而成為“攜帶”信息的強(qiáng)度調(diào)制波。

聲光體調(diào)制器：聲光介質(zhì)、電—聲換能器、耦合介質(zhì)、吸聲(或反射)裝置及驅(qū)動(dòng)電源等組成。一、器件結(jié)構(gòu)與功能30聲光調(diào)制器結(jié)構(gòu)吸聲裝置聲光調(diào)制是利用聲光效應(yīng)將信息加載于光頻載波上的一聲光介質(zhì)是聲光互作用的場(chǎng)所。當(dāng)一束光通過變化的超聲場(chǎng)時(shí)，由于光和超聲場(chǎng)的互作用，其出射光就具有隨時(shí)間而變化的各級(jí)衍射光，利用超聲波強(qiáng)度的變化→衍射光強(qiáng)的變化，可以制成光強(qiáng)度調(diào)制器。(1)聲光介質(zhì)一、器件結(jié)構(gòu)與功能29聲光介質(zhì)是聲光互作用的場(chǎng)所。當(dāng)一束光通過變化(1)聲光介質(zhì)（1）應(yīng)使調(diào)制器的衍射效率高，而需要的聲功率小。衍射效率——規(guī)定輸出的光強(qiáng)與輸入光強(qiáng)之比，也叫調(diào)制效率。如對(duì)于1級(jí)輸出光強(qiáng)，在同樣的輸入功率下，輸出光強(qiáng)大，ηs大。聲光介質(zhì)材料選擇要求——介質(zhì)的品質(zhì)因數(shù)在ηs一定時(shí)因此，應(yīng)選擇大的聲光材料，提高衍射（調(diào)制）效率，降低聲功率。一、器件結(jié)構(gòu)與功能28(1)聲光介質(zhì)（1）應(yīng)使調(diào)制器的衍射效率高，而需要的聲功率小(1)聲光介質(zhì)聲光介質(zhì)材料選擇要求（2）調(diào)制器有大的調(diào)制帶寬布拉格條件當(dāng)光波和聲波有發(fā)散角時(shí)，只允許在一有限的聲頻范圍才產(chǎn)生布拉格衍射，頻率帶寬Δfs

與布拉格角θB可變量之間的關(guān)系為一、器件結(jié)構(gòu)與功能27依據(jù)什么公式得到的？——光波和聲波的中心波長(1)聲光介質(zhì)聲光介質(zhì)材料選擇要求（2）調(diào)制器有大的調(diào)制帶寬(1)聲光介質(zhì)聲光介質(zhì)材料選擇要求（2）調(diào)制器有大的調(diào)制帶寬

調(diào)制帶寬——取1級(jí)衍射光強(qiáng)下降到中心頻率時(shí)衍射光強(qiáng)的一半所對(duì)應(yīng)的頻率變化，由超聲波的頻率變化引起。經(jīng)驗(yàn)公式fs—調(diào)制頻率,L—介質(zhì)長度,vs—聲速。引入一參數(shù)選擇M1大的材料使Δfs大，才能允許fs變化范圍大一、器件結(jié)構(gòu)與功能26(1)聲光介質(zhì)聲光介質(zhì)材料選擇要求（2）調(diào)制器有大的調(diào)制帶寬(1)聲光介質(zhì)聲光介質(zhì)材料選擇要求（3）承受高的光功率密度目前的幾種介質(zhì)，M1和M2大的材料，易于損壞。（4）聲的吸收系數(shù)要小，與換能器阻抗匹配，光學(xué)均勻性好。目前采用熔凝石英多，M2雖不高，但其他指標(biāo)都滿足此要求。而其他：重火石玻璃——M2

↑，透光好，便宜；鉬酸鉛——M2↑，但損耗大，調(diào)制效率低。一、器件結(jié)構(gòu)與功能25(1)聲光介質(zhì)聲光介質(zhì)材料選擇要求（3）承受高的光功率密度目(1)聲光介質(zhì)聲光介質(zhì)材料選擇要求（5）材料尺寸的確定L的確定，根據(jù)布拉格和拉曼納斯衍射的判據(jù)布拉格衍射：拉曼納斯衍射：聲光介質(zhì)考慮：調(diào)制效率、調(diào)制帶寬、光學(xué)性能、尺寸。一、器件結(jié)構(gòu)與功能24(1)聲光介質(zhì)聲光介質(zhì)材料選擇要求（5）材料尺寸的確定L的(2)電—聲換能器(又稱超聲發(fā)生器)利用某些壓電晶體（石英、LiNbO3等）或壓電半導(dǎo)體(CdS、ZnO等）的反壓電效應(yīng)，在外加電場(chǎng)作用下產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)而形成超聲波，將調(diào)制的電功率轉(zhuǎn)換成聲功率。換能器有兩作用系統(tǒng)：外加調(diào)制電源和進(jìn)行機(jī)械振動(dòng)。一、器件結(jié)構(gòu)與功能23(2)電—聲換能器(又稱超聲發(fā)生器)利用某些壓(2)電—聲換能器(又稱超聲發(fā)生器)

Δ反壓電效應(yīng)：在晶體表面沿著電場(chǎng)方向施加電壓，在電場(chǎng)作用下引起晶體幾何形狀應(yīng)變，電壓方向改變，應(yīng)變方向亦隨之改變，形變與電場(chǎng)電壓成比例，這種因電場(chǎng)作用而誘發(fā)的形變效應(yīng)，也稱為逆壓電效應(yīng)。一、器件結(jié)構(gòu)與功能22(2)電—聲換能器(又稱超聲發(fā)生器)Δ反壓電效應(yīng)(2)電—聲換能器(又稱超聲發(fā)生器)1)換能器晶片產(chǎn)生振動(dòng)由于反壓電效應(yīng)，產(chǎn)生振動(dòng)變形。但由于晶體的對(duì)稱性，大部分壓電應(yīng)變系數(shù)為0。例如石英晶體（只有兩個(gè)獨(dú)立壓電應(yīng)變系數(shù)d11和d14）一、器件結(jié)構(gòu)與功能21如果在x方向加電場(chǎng)，會(huì)在x方向上振動(dòng)。當(dāng)電場(chǎng)的頻率等于晶片的固有頻率時(shí)，振動(dòng)達(dá)到最大值——轉(zhuǎn)換效率最高。忽略橫向振動(dòng)，在y-z向存在應(yīng)變，但晶體的厚度d是微米量級(jí)，y變形小。(2)電—聲換能器(又稱超聲發(fā)生器)1)換能器晶片產(chǎn)生振動(dòng)(2)電—聲換能器(又稱超聲發(fā)生器)2)換能器的電性能（驅(qū)動(dòng)源和換能器聯(lián)接）雖然是機(jī)械振動(dòng)，但它是由電驅(qū)動(dòng)，一般用一個(gè)電感、電容、電阻組成的等效電路表示。一、器件結(jié)構(gòu)與功能203)機(jī)電耦合系數(shù)k換能器把電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械振動(dòng)能（或者說轉(zhuǎn)變成超聲波多少的參數(shù)）—材料選擇的參數(shù)。加在換能器上的電能只有一部分轉(zhuǎn)變?yōu)檎駝?dòng)能，其他消耗在晶體中。不同的晶體k不同，選k大的晶體，電聲轉(zhuǎn)換效率高（例如石英k=0.1）。(2)電—聲換能器(又稱超聲發(fā)生器)2)換能器的電性能（驅(qū)動(dòng)一、器件結(jié)構(gòu)與功能19(3)耦合介質(zhì)在換能器和聲光介質(zhì)之間夾一層耦合介質(zhì)，一般銦或銦錫合金。作用：（1）使聲光介質(zhì)和換能器的阻抗接近—過渡介質(zhì)，減少聲反射損耗；（2）把換能器粘在介質(zhì)上，因?yàn)閾Q能器d小，幾十微米；（3）作為換能器的電極。聲光調(diào)制器結(jié)構(gòu)吸聲裝置一、器件結(jié)構(gòu)與功能19(3)耦合介質(zhì)在換能一、器件結(jié)構(gòu)與功能18(4)吸聲(或反射)裝置(放置在超聲源的對(duì)面)在行波結(jié)構(gòu)中加吸收器吸收傳播來的聲波，使之不反射。在駐波結(jié)構(gòu)中加反射器反射傳播來的聲波，以便形成駐波。一、器件結(jié)構(gòu)與功能18(4)吸聲(或反射)裝置(放置在超聲(5)驅(qū)動(dòng)電源產(chǎn)生調(diào)制電信號(hào)施加于電—聲換能器的兩端電極上，驅(qū)動(dòng)聲光調(diào)制器(換能器)工作。一、器件結(jié)構(gòu)與功能17聲光調(diào)制器結(jié)構(gòu)吸聲裝置(5)驅(qū)動(dòng)電源產(chǎn)生調(diào)制電信號(hào)施加于電—聲換能器拉曼—納斯衍射二、工作原理16布拉格衍射ηs與附加相位延遲因子ν＝2πΔnL／λ有關(guān)聲致折射率差Δn正比于彈性應(yīng)變幅值S而S∝聲功率Ps聲波場(chǎng)受到信號(hào)的調(diào)制使聲波振幅隨之變化則衍射光強(qiáng)也將隨之做相應(yīng)的變化拉曼—納斯衍射二、工作原理16布拉格衍射ηs與附加相位延遲因（1）拉曼-納斯型

fs<10MHz，低頻，帶寬較小入射光

衍射光

調(diào)制信號(hào)拉曼-納斯型聲光調(diào)制器

當(dāng)工作頻率較高時(shí)，最大允許長度太小，要求的聲功率很高，因此只限于低頻和有限的帶寬內(nèi)工作。由于衍射效率低，光能利用率低，根據(jù)判據(jù)二、工作原理（拉曼-納斯衍射區(qū)）15（1）拉曼-納斯型fs<10MHz，低頻，帶寬較小入射光衍射光調(diào)制信號(hào)入射光聲光調(diào)制器布喇格型（2）布喇格型tPsId(fm)fm(Is)0PS1/2聲光調(diào)制特性曲線為了使調(diào)制不發(fā)生畸變，則需加超聲偏置（類似于電光調(diào)制中的偏壓Vλ/4=Vπ/2），使其工作在線性較好的區(qū)域。二、工作原理14衍射光調(diào)制信號(hào)入射光聲光調(diào)制器布喇格型（2）布喇格型tPs

在聲功率Ps(或聲強(qiáng)Is)較小的情況下，衍射效率

s

隨聲強(qiáng)度Is單調(diào)地增加(呈線性關(guān)系)

必須使入射光束以布拉格角θB入射，同時(shí)在相對(duì)于聲波陣面對(duì)稱方向接收衍射光束時(shí)，才能得到滿意的結(jié)果。（2）布喇格型二、工作原理13在聲功率Ps(或聲強(qiáng)Is)較小的情況下，（1）調(diào)制帶寬

調(diào)制帶寬是衡量能否無畸變地傳輸信息的一個(gè)重要指標(biāo)，取1級(jí)衍射光強(qiáng)下降到中心頻率時(shí)衍射光強(qiáng)的一半所對(duì)應(yīng)的頻率變化，用（Δf）m表示。

對(duì)于給定入射角和波長的光波，只有一個(gè)確定的頻率和波矢的聲波才能滿足布拉格條件。當(dāng)采用有限的發(fā)散光束和聲波場(chǎng)時(shí)，波束的有限角將會(huì)擴(kuò)展，因此，在一個(gè)有限的聲頻范圍內(nèi)才能產(chǎn)生布拉格衍射。三、性能指標(biāo)允許的聲頻帶寬與布拉格角的可能變化量之間的關(guān)系為：12（1）調(diào)制帶寬調(diào)制帶寬是衡量能否無畸變地傳

設(shè)入射光束的發(fā)散角為i，聲波束的發(fā)散角為，對(duì)于衍射受限制的波束，這些波束發(fā)散角與波長和束寬的關(guān)系分別近似為w0：入射光束束腰半徑；n：為介質(zhì)的折射率；D：聲束寬度。（1）調(diào)制帶寬三、性能指標(biāo)11如果考慮兩束最邊界的衍射光發(fā)生重疊入射角覆蓋范圍應(yīng)為設(shè)入射光束的發(fā)散角為i，聲波束的發(fā)散角為

帶寬與聲波穿過光束的渡越時(shí)間（w0/vs)成反比，即與光束的直徑(w0)成反比。用寬度小的光束可以得到較大的帶寬。但光束發(fā)散角不能太大，否則，0級(jí)和1級(jí)衍射會(huì)有部分重疊，降低調(diào)制的效果。即最大的調(diào)制帶寬近似等于聲頻率fs的一半。因此，大的調(diào)制帶寬要采用高頻布喇格衍射才能得到。（1）調(diào)制帶寬三、性能指標(biāo)10因此要求帶寬與聲波穿過光束的渡越時(shí)間（w0/vs)成（2）衍射效率要得到衍射效率ηs=100％，所需要的聲強(qiáng)度為所需的聲功率三、性能指標(biāo)9

聲光材料品質(zhì)因數(shù)M2越大，獲100%的衍射效率所需聲功率越小。則電聲換能器的截面應(yīng)做得長（L大）而窄（H小）。（2）衍射效率要得到衍射效率ηs=100％，所需要的聲強(qiáng)度為f0：聲波中心頻率表征聲光材料的調(diào)制帶寬特性的品質(zhì)因數(shù)M1值越大，聲光材料制成的調(diào)制器所允許的調(diào)制帶寬越大。（2）衍射效率三、性能指標(biāo)8雖然增大作用長度L會(huì)提高衍射效率，但是，也會(huì)導(dǎo)致調(diào)制帶寬的減小假如聲波的發(fā)散角會(huì)得到f0：聲波中心頻率表征聲光材料的調(diào)制帶寬特性的品質(zhì)因數(shù)M1值提高布拉格聲光調(diào)制器衍射效率的途徑：

1、選擇聲光性能指數(shù)（材料常數(shù)或優(yōu)值）的聲光介質(zhì)；

2、聲光介質(zhì)的長度（L)足夠長、寬度(H)窄和適當(dāng)增加聲功率Ps。注意：功率過高會(huì)導(dǎo)致器件過熱，從而影響器件的工作性能和可靠性。（2）衍射效率三、性能指標(biāo)7提高布拉格聲光調(diào)制器衍射效率的途徑：（2）衍射效率三、性能指（3）聲束與光束的匹配

為了充分利用聲能和光能，認(rèn)為聲光調(diào)制器比較合理的情況是工作于聲束和光束的發(fā)散角比。提高衍射光的消光比→希望衍射光盡量與0級(jí)光分開→要求衍射光中心和0級(jí)光中心之間的夾角大于2Δφ

，即大于8λ/πd0。由于衍射光和0級(jí)光之間的夾角（即偏轉(zhuǎn)角）等于三、性能指標(biāo)6不是超聲能量邊緣浪費(fèi)，就是不滿足布拉格條件而不被衍射。調(diào)制器性能最佳。（3）聲束與光束的匹配為了充分利用聲能和光可分離條件為:D0：高斯光束腰部直徑τ：聲束穿越光束的度越時(shí)間（3）聲束和光束的匹配三、性能指標(biāo)5最佳發(fā)散角比的條件實(shí)際應(yīng)用中就可以選擇合適的聚焦透鏡焦距可分離條件為:D0：高斯光束腰部直徑（3）聲束和光束的匹配四、波導(dǎo)調(diào)制器4idks入射光衍射光L聲表面波電聲換能器波導(dǎo)層y切割LiNbO3襯底聲光布拉格型波導(dǎo)調(diào)制器布拉格型波導(dǎo)調(diào)制器由平面波導(dǎo)和交叉電極換能器組成。波導(dǎo)襯底材料采用壓電材料（如LN等）目的：激起表面彈性波。采用Ti擴(kuò)散形成波導(dǎo)。用光刻方法在表面形成交叉電聲換能器。波導(dǎo)光與電極板條間的夾角滿足布拉格角θB，換能器產(chǎn)生的超聲波引起波導(dǎo)和襯底折射率周期變化。四、波導(dǎo)調(diào)制器4idks入射光衍射光L聲表面波電聲換能四、波導(dǎo)調(diào)制器其光強(qiáng)為

：在電場(chǎng)作用下導(dǎo)波光通過長度為L距離的相位延遲；B：比例系數(shù)，取決于波導(dǎo)的有效折射率neff等因素。因此，衍射光強(qiáng)I1隨電壓V的變化而變化，達(dá)到對(duì)波導(dǎo)光的調(diào)制目的。3因此，相對(duì)于聲波波前以B入射的波導(dǎo)光波穿過輸出棱鏡時(shí)，得到與入射光束成2B

的1級(jí)衍射光。四、波導(dǎo)調(diào)制器其光強(qiáng)為：在電場(chǎng)作用下導(dǎo)波光通過長度在激光諧振腔系統(tǒng)中有聲光鎖模、聲光Q開關(guān)和腔倒空技術(shù)；在信號(hào)處理系統(tǒng)中有雷達(dá)、電子對(duì)抗和光通信的聲光信號(hào)處理技術(shù)；在光學(xué)高精度傳感系統(tǒng)中有光學(xué)陀螺、水聽器和干涉系統(tǒng)技術(shù)；在激光技術(shù)系統(tǒng)中有文字、圖像和其它信息處理技術(shù)。聲光器件的應(yīng)用知識(shí)補(bǔ)充2在激光諧振腔系統(tǒng)中有聲光鎖模、聲光Q開關(guān)和腔倒空技術(shù)；聲光本講小結(jié)1、聲光調(diào)制器的結(jié)構(gòu)及其功能、波導(dǎo)聲光調(diào)制的原理等12、聲光調(diào)制的工作原理：拉曼納斯、布拉格衍射3、調(diào)制帶寬、衍射效率、聲光束匹配等參量的要求、關(guān)系和特征啟示：電調(diào)制信號(hào)→產(chǎn)生聲功率→彈性應(yīng)變→晶體折射變化→衍射→光強(qiáng)調(diào)制本講小結(jié)1、聲光調(diào)制器的結(jié)構(gòu)及其功能、波導(dǎo)聲光調(diào)制的原理等1《光電子技術(shù)》PhotoelectronicTechnique第八講聲光調(diào)制周自剛

《光電子技術(shù)》本講主要內(nèi)容一、器件結(jié)構(gòu)與功能二、工作原理三、性能指標(biāo)四、波導(dǎo)調(diào)制器本講主要內(nèi)容一、器件結(jié)構(gòu)與功能二、工作原理三、性能指標(biāo)四、

聲光調(diào)制是利用聲光效應(yīng)將信息加載于光頻載波上的一種物理過程。調(diào)制信號(hào)是以電信號(hào)(調(diào)幅)形式作用于電-聲換能器上，將相應(yīng)的電信號(hào)→超聲場(chǎng)，當(dāng)光波通過聲光介質(zhì)時(shí)，由于聲光作用，使光載波受到調(diào)制而成為“攜帶”信息的強(qiáng)度調(diào)制波。

聲光體調(diào)制器：聲光介質(zhì)、電—聲換能器、耦合介質(zhì)、吸聲(或反射)裝置及驅(qū)動(dòng)電源等組成。一、器件結(jié)構(gòu)與功能30聲光調(diào)制器結(jié)構(gòu)吸聲裝置聲光調(diào)制是利用聲光效應(yīng)將信息加載于光頻載波上的一聲光介質(zhì)是聲光互作用的場(chǎng)所。當(dāng)一束光通過變化的超聲場(chǎng)時(shí)，由于光和超聲場(chǎng)的互作用，其出射光就具有隨時(shí)間而變化的各級(jí)衍射光，利用超聲波強(qiáng)度的變化→衍射光強(qiáng)的變化，可以制成光強(qiáng)度調(diào)制器。(1)聲光介質(zhì)一、器件結(jié)構(gòu)與功能29聲光介質(zhì)是聲光互作用的場(chǎng)所。當(dāng)一束光通過變化(1)聲光介質(zhì)（1）應(yīng)使調(diào)制器的衍射效率高，而需要的聲功率小。衍射效率——規(guī)定輸出的光強(qiáng)與輸入光強(qiáng)之比，也叫調(diào)制效率。如對(duì)于1級(jí)輸出光強(qiáng)，在同樣的輸入功率下，輸出光強(qiáng)大，ηs大。聲光介質(zhì)材料選擇要求——介質(zhì)的品質(zhì)因數(shù)在ηs一定時(shí)因此，應(yīng)選擇大的聲光材料，提高衍射（調(diào)制）效率，降低聲功率。一、器件結(jié)構(gòu)與功能28(1)聲光介質(zhì)（1）應(yīng)使調(diào)制器的衍射效率高，而需要的聲功率小(1)聲光介質(zhì)聲光介質(zhì)材料選擇要求（2）調(diào)制器有大的調(diào)制帶寬布拉格條件當(dāng)光波和聲波有發(fā)散角時(shí)，只允許在一有限的聲頻范圍才產(chǎn)生布拉格衍射，頻率帶寬Δfs

與布拉格角θB可變量之間的關(guān)系為一、器件結(jié)構(gòu)與功能27依據(jù)什么公式得到的？——光波和聲波的中心波長(1)聲光介質(zhì)聲光介質(zhì)材料選擇要求（2）調(diào)制器有大的調(diào)制帶寬(1)聲光介質(zhì)聲光介質(zhì)材料選擇要求（2）調(diào)制器有大的調(diào)制帶寬

調(diào)制帶寬——取1級(jí)衍射光強(qiáng)下降到中心頻率時(shí)衍射光強(qiáng)的一半所對(duì)應(yīng)的頻率變化，由超聲波的頻率變化引起。經(jīng)驗(yàn)公式fs—調(diào)制頻率,L—介質(zhì)長度,vs—聲速。引入一參數(shù)選擇M1大的材料使Δfs大，才能允許fs變化范圍大一、器件結(jié)構(gòu)與功能26(1)聲光介質(zhì)聲光介質(zhì)材料選擇要求（2）調(diào)制器有大的調(diào)制帶寬(1)聲光介質(zhì)聲光介質(zhì)材料選擇要求（3）承受高的光功率密度目前的幾種介質(zhì)，M1和M2大的材料，易于損壞。（4）聲的吸收系數(shù)要小，與換能器阻抗匹配，光學(xué)均勻性好。目前采用熔凝石英多，M2雖不高，但其他指標(biāo)都滿足此要求。而其他：重火石玻璃——M2

↑，透光好，便宜；鉬酸鉛——M2↑，但損耗大，調(diào)制效率低。一、器件結(jié)構(gòu)與功能25(1)聲光介質(zhì)聲光介質(zhì)材料選擇要求（3）承受高的光功率密度目(1)聲光介質(zhì)聲光介質(zhì)材料選擇要求（5）材料尺寸的確定L的確定，根據(jù)布拉格和拉曼納斯衍射的判據(jù)布拉格衍射：拉曼納斯衍射：聲光介質(zhì)考慮：調(diào)制效率、調(diào)制帶寬、光學(xué)性能、尺寸。一、器件結(jié)構(gòu)與功能24(1)聲光介質(zhì)聲光介質(zhì)材料選擇要求（5）材料尺寸的確定L的(2)電—聲換能器(又稱超聲發(fā)生器)利用某些壓電晶體（石英、LiNbO3等）或壓電半導(dǎo)體(CdS、ZnO等）的反壓電效應(yīng)，在外加電場(chǎng)作用下產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)而形成超聲波，將調(diào)制的電功率轉(zhuǎn)換成聲功率。換能器有兩作用系統(tǒng)：外加調(diào)制電源和進(jìn)行機(jī)械振動(dòng)。一、器件結(jié)構(gòu)與功能23(2)電—聲換能器(又稱超聲發(fā)生器)利用某些壓(2)電—聲換能器(又稱超聲發(fā)生器)

Δ反壓電效應(yīng)：在晶體表面沿著電場(chǎng)方向施加電壓，在電場(chǎng)作用下引起晶體幾何形狀應(yīng)變，電壓方向改變，應(yīng)變方向亦隨之改變，形變與電場(chǎng)電壓成比例，這種因電場(chǎng)作用而誘發(fā)的形變效應(yīng)，也稱為逆壓電效應(yīng)。一、器件結(jié)構(gòu)與功能22(2)電—聲換能器(又稱超聲發(fā)生器)Δ反壓電效應(yīng)(2)電—聲換能器(又稱超聲發(fā)生器)1)換能器晶片產(chǎn)生振動(dòng)由于反壓電效應(yīng)，產(chǎn)生振動(dòng)變形。但由于晶體的對(duì)稱性，大部分壓電應(yīng)變系數(shù)為0。例如石英晶體（只有兩個(gè)獨(dú)立壓電應(yīng)變系數(shù)d11和d14）一、器件結(jié)構(gòu)與功能21如果在x方向加電場(chǎng)，會(huì)在x方向上振動(dòng)。當(dāng)電場(chǎng)的頻率等于晶片的固有頻率時(shí)，振動(dòng)達(dá)到最大值——轉(zhuǎn)換效率最高。忽略橫向振動(dòng)，在y-z向存在應(yīng)變，但晶體的厚度d是微米量級(jí)，y變形小。(2)電—聲換能器(又稱超聲發(fā)生器)1)換能器晶片產(chǎn)生振動(dòng)(2)電—聲換能器(又稱超聲發(fā)生器)2)換能器的電性能（驅(qū)動(dòng)源和換能器聯(lián)接）雖然是機(jī)械振動(dòng)，但它是由電驅(qū)動(dòng)，一般用一個(gè)電感、電容、電阻組成的等效電路表示。一、器件結(jié)構(gòu)與功能203)機(jī)電耦合系數(shù)k換能器把電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械振動(dòng)能（或者說轉(zhuǎn)變成超聲波多少的參數(shù)）—材料選擇的參數(shù)。加在換能器上的電能只有一部分轉(zhuǎn)變?yōu)檎駝?dòng)能，其他消耗在晶體中。不同的晶體k不同，選k大的晶體，電聲轉(zhuǎn)換效率高（例如石英k=0.1）。(2)電—聲換能器(又稱超聲發(fā)生器)2)換能器的電性能（驅(qū)動(dòng)一、器件結(jié)構(gòu)與功能19(3)耦合介質(zhì)在換能器和聲光介質(zhì)之間夾一層耦合介質(zhì)，一般銦或銦錫合金。作用：（1）使聲光介質(zhì)和換能器的阻抗接近—過渡介質(zhì)，減少聲反射損耗；（2）把換能器粘在介質(zhì)上，因?yàn)閾Q能器d小，幾十微米；（3）作為換能器的電極。聲光調(diào)制器結(jié)構(gòu)吸聲裝置一、器件結(jié)構(gòu)與功能19(3)耦合介質(zhì)在換能一、器件結(jié)構(gòu)與功能18(4)吸聲(或反射)裝置(放置在超聲源的對(duì)面)在行波結(jié)構(gòu)中加吸收器吸收傳播來的聲波，使之不反射。在駐波結(jié)構(gòu)中加反射器反射傳播來的聲波，以便形成駐波。一、器件結(jié)構(gòu)與功能18(4)吸聲(或反射)裝置(放置在超聲(5)驅(qū)動(dòng)電源產(chǎn)生調(diào)制電信號(hào)施加于電—聲換能器的兩端電極上，驅(qū)動(dòng)聲光調(diào)制器(換能器)工作。一、器件結(jié)構(gòu)與功能17聲光調(diào)制器結(jié)構(gòu)吸聲裝置(5)驅(qū)動(dòng)電源產(chǎn)生調(diào)制電信號(hào)施加于電—聲換能器拉曼—納斯衍射二、工作原理16布拉格衍射ηs與附加相位延遲因子ν＝2πΔnL／λ有關(guān)聲致折射率差Δn正比于彈性應(yīng)變幅值S而S∝聲功率Ps聲波場(chǎng)受到信號(hào)的調(diào)制使聲波振幅隨之變化則衍射光強(qiáng)也將隨之做相應(yīng)的變化拉曼—納斯衍射二、工作原理16布拉格衍射ηs與附加相位延遲因（1）拉曼-納斯型

fs<10MHz，低頻，帶寬較小入射光

衍射光

調(diào)制信號(hào)拉曼-納斯型聲光調(diào)制器

當(dāng)工作頻率較高時(shí)，最大允許長度太小，要求的聲功率很高，因此只限于低頻和有限的帶寬內(nèi)工作。由于衍射效率低，光能利用率低，根據(jù)判據(jù)二、工作原理（拉曼-納斯衍射區(qū)）15（1）拉曼-納斯型fs<10MHz，低頻，帶寬較小入射光衍射光調(diào)制信號(hào)入射光聲光調(diào)制器布喇格型（2）布喇格型tPsId(fm)fm(Is)0PS1/2聲光調(diào)制特性曲線為了使調(diào)制不發(fā)生畸變，則需加超聲偏置（類似于電光調(diào)制中的偏壓Vλ/4=Vπ/2），使其工作在線性較好的區(qū)域。二、工作原理14衍射光調(diào)制信號(hào)入射光聲光調(diào)制器布喇格型（2）布喇格型tPs

在聲功率Ps(或聲強(qiáng)Is)較小的情況下，衍射效率

s

隨聲強(qiáng)度Is單調(diào)地增加(呈線性關(guān)系)

必須使入射光束以布拉格角θB入射，同時(shí)在相對(duì)于聲波陣面對(duì)稱方向接收衍射光束時(shí)，才能得到滿意的結(jié)果。（2）布喇格型二、工作原理13在聲功率Ps(或聲強(qiáng)Is)較小的情況下，（1）調(diào)制帶寬

調(diào)制帶寬是衡量能否無畸變地傳輸信息的一個(gè)重要指標(biāo)，取1級(jí)衍射光強(qiáng)下降到中心頻率時(shí)衍射光強(qiáng)的一半所對(duì)應(yīng)的頻率變化，用（Δf）m表示。

對(duì)于給定入射角和波長的光波，只有一個(gè)確定的頻率和波矢的聲波才能滿足布拉格條件。當(dāng)采用有限的發(fā)散光束和聲波場(chǎng)時(shí)，波束的有限角將會(huì)擴(kuò)展，因此，在一個(gè)有限的聲頻范圍內(nèi)才能產(chǎn)生布拉格衍射。三、性能指標(biāo)允許的聲頻帶寬與布拉格角的可能變化量之間的關(guān)系為：12（1）調(diào)制帶寬調(diào)制帶寬是衡量能否無畸變地傳

設(shè)入射光束的發(fā)散角為i，聲波束的發(fā)散角為，對(duì)于衍射受限制的波束，這些波束發(fā)散角與波長和束寬的關(guān)系分別近似為w0：入射光束束腰半徑；n：為介質(zhì)的折射率；D：聲束寬度。（1）調(diào)制帶寬三、性能指標(biāo)11如果考慮兩束最邊界的衍射光發(fā)生重疊入射角覆蓋范圍應(yīng)為設(shè)入射光束的發(fā)散角為i，聲波束的發(fā)散角為

帶寬與聲波穿過光束的渡越時(shí)間（w0/vs)成反比，即與光束的直徑(w0)成反比。用寬度小的光束可以得到較大的帶寬。但光束發(fā)散角不能太大，否則，0級(jí)和1級(jí)衍射會(huì)有部分重疊，降低調(diào)制的效果。即最大的調(diào)制帶寬近似等于聲頻率fs的一半。因此，大的調(diào)制帶寬要采用高頻布喇格衍射才能得到。（1）調(diào)制帶寬三、性能指標(biāo)10因此要求帶寬與聲波穿過光束的渡越時(shí)間（w0/vs)成（2）衍射效率要得到衍射效率ηs=100％，所需要的聲強(qiáng)度為所需的聲功率三、性能指標(biāo)9

聲光材料品質(zhì)因數(shù)M2越大，獲100%的衍射效率所需聲功率越小。則電聲換能器的截面應(yīng)做得長（L大）而窄（H小）。（2）衍射效率要得到衍射效率ηs=100％，所需要的聲強(qiáng)度為f0：聲波中心頻率表征聲光材料的調(diào)制帶寬特性的品質(zhì)因數(shù)M1值越大，聲光材料制成的調(diào)制器所允許的調(diào)制帶寬越大。（2）衍射效率三、性能指標(biāo)8雖然增大作用長度L會(huì)提高衍射效率，但是，也會(huì)導(dǎo)致調(diào)制帶寬的減小假如聲波的發(fā)散角會(huì)得到f0：聲波中心頻率表征聲光材料的調(diào)制帶寬特性的品質(zhì)因數(shù)M1值提高布拉格聲光調(diào)制器衍射效率的途徑：

1、選擇聲光性能指數(shù)（材料常數(shù)或優(yōu)值）的聲光介質(zhì)；

2、聲光介質(zhì)的長度（L)足夠長、寬度(H)窄和適當(dāng)增加聲功率Ps。注意：功率過高會(huì)導(dǎo)致器件過熱，從而影響器件的工作性能和可靠性。（2）衍射效率三、性能指標(biāo)7提高布拉格聲光調(diào)制器衍射效率的途徑：（2）衍射效率三、性能指