声光调制器

2021-04-27 14:43:24 浏览:585

定义

利用声光效应的光学调制器。

声光调制器是利用电子驱动信号可以用来控制激光光束的功率,频率或者其空间方向的器件。它利用声光效应,即通过声波机械振荡压力改变折射率。

AOM的关键元件是一块透明晶体(或一块玻璃),光在其中传播。与晶体接触的压电转换器用来激发声波,声波的频率在100 MHz量级。光在周期性折射率光栅中传播受到布拉格衍射产生声波,因此AOMs有时也称为布拉格盒。散射光的频率增加或者减小,增加或减小的值等于声波频率(与声波相对于光束的传播方向有关),并且散射光的方向稍有变化。(方向的变化很小,如图1,因为声波的波数与光播相比非常小。)散射光的频率和方向可以通过控制声波的频率进行控制,然而声波功率则受制于光功率。当声波功率足够高时,大于50%的光功率被衍射,极限情况下大于95%的光波被衍射。

图 1 非共振声光调制器的示意图。转换器产生声波,该处光波部分被衍射。这里衍射角被放大

声波可能在晶体另一端被吸收。这种行波结构使其可以达到很宽的调制带宽。其他装置是与声波共振的,利用晶体另一端对声波的强反射。共振效应可以显著提高调制深度(或者降低需要的声波功率),但是会减小调制带宽。

声光调制器常见的材料为二氧化碲(TeO2),石英晶体和熔融二氧化硅。在材料选择方面有很多标准,包括电光系数,透明范围,光损伤阈值和需要的尺寸。也可以采用不同的声波,最常用的是纵波(压缩)。这样可以得到最高的衍射效率,而衍射效率也与光束的偏振有关。当采用声剪切波(声学振动方向与激光光束相同)时,与偏振方向无关,但是这会降低衍射效率。

还有在一块芯片上包含多个声光调制器的集成光学器件。可以在铌酸锂(LiNbO3)上集成光学器件,由于它是压电的,因此芯片表面的金属电极可以产生表面声波。这种装置有很多用途,例如,用做可调谐光学滤波器或者光学开关。

应用

声光调制器具有很多应用:

1、它可以用做固态激光器中的Q开关。AOM也称为Q开关,在脉冲产生之前用来关闭激光谐振腔。大多数情况下,只有零阶光束满足激光条件,并且当不需要激光时可以将AOM打开。这时需要衍射损耗(每次往返谐振腔产生的损耗)大于激光器增益。对于高增益激光器(例如,光纤激光器),通常是一阶衍射光束满足激光条件,因此当AOM关闭后,会产生非常大的谐振腔损耗。但是,激光态的损耗也相当高。

2、AOM也可以用做固态激光器的倾斜腔,产生纳秒或超短脉冲。后者情况下,AOM的速度只有当谐振腔比较长时才满足要求,或者需要采用电光调制器。

3、采用AOM调整谐振腔中往返光的谐振波损耗可以实现主动锁模。

4、AOM可以用做脉冲拾取器来降低脉冲列的脉冲重复速率,为了将脉冲进行后续的放大过程得到很高的脉冲能量。

5、在激光打印机和其它装置中,AOM可以用来调制激光光束的功率。调制可以为连续的或者数字的(开/关)。

6、AOM会使激光光束频率产生偏移,例如用在各种测量器件中,或者用在利用通过频移光学反馈实现锁模的激光器中。

7、有些情况下需要利用衍射角与声学频率有关的效应。尤其是,可以扫描出射光束的方向(至少扫描小范围的)来改变调制频率。

声光调制器的重要性质

实际应用中挑选声光调制器时可以从以下方面考虑:

1、材料需要在需要的频率范围内具有很高的透明度,并且需要使寄生反射最小化,例如,采用抗反射涂层。

2、很多情况下,需要很高的衍射效率。例如,将AOM用做高增益激光器的Q开关时很重要,而在倾斜腔中更加重要。

3、需要的微波功率同时会影响需要的电功率和冷却装置。

4、开关时间。

5、用做移频器时,装置需要工作在很大的微波频率范围内。

6、很高的光峰值功率情况下需要采用合适的材料和大的开放孔径,可以得到较高的损伤阈值。

由于需要权衡很多参数,不同应用情况下需要采用不同的材料和工作参数。例如,具有最高的衍射效率的材料并不能得到最高的光损伤阈值。大的模式面积可以提高控制功率能力,但是需要采用更大的晶体或者玻璃片还需要更高的驱动功率,同时还会提高开关时间,开关时间受制于声学跃迁时间。对于快速的声光扫描仪,需要大的模式面积实现高的像素分辨率,但是高的扫描速度又需要较小的模式面积。

参阅:Q开关、光学调制器、脉冲拾取器、电光调制器、倾斜腔、主动锁模

光学器件

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