声光偏转器

自发明激光器以来，其应用研究十分活跃，现已广泛应用于记录、测量和显示等领域内。使这些应用成为可能的因素是激光调制和偏转技术的发展，其中，利用声光效应的器件起了极大的作用。利用声光效应的器件与旋转多面镜等机械式器件相比，具有无振动和躁声、寿命为半永久的等特点。与电光器件相比，在高速动作方面具有不利之处，但在温度稳定度和消光比方面却具优越性，可根据用途的不同而用作有效的器件。

为了能够通过电路信号对激光的方向进行控制并缩短反应延迟，实验中多使用声光偏转器对激光方向进行操控。

如果在透明玻璃和晶体等超声媒质中产生超声波，则会引起周期性的折射率变化而成为相位型衍射栅，如果让激光束入射到超声媒质中，激光束就产生衍射，衍射光的强度和方向随超声波^[2]的强库和频率的状态而变化。这就是超声波与光的相互作用，即声光效应。该效应就是声光调制器和声光偏转器的工作原理。

声光效应的衍射分为拉曼-奈斯衍射与布拉格衍射，由于拉曼-奈斯衍射效率较低，所以多采用布拉格衍射，基于布喇格衍射的声光调制器是使零级光或一级光的强度随调制信号而变化的调制器。设入射激光束的强度为I时，一级衍射光的强度为=(K/λ) (1)

布拉格衍射如图，除未偏转的零级光以外只产生下式所示的一级衍射光

Q =（λ/2Λ）λ/2Λ (2)

如使Λ，即超声波的波长变化，一级衍射光的方向则发生变化。这就是声光偏转器的原理。设超声波的传播速度为v，频率为 f 时，存在如下关系

Λ =(3)

将式 (3) 代入式 (2)，则得

Qλ

超声波的频率从变到的光束的偏转角为λ (4)

声光调制器与声光偏转器无本质差别，超声波的频率保持恒定而衍射光的强度发生变化的则为声光调制器；超声波的频率发生变化，衍射光的强度始终保持一定而其方向发生变化的就是声光偏转器。因此，用一个器件就可 以实现声光调制器和声光偏转器的工作。实际上，市场上就出售这样的器件。

在选择声光器件所用的超声波媒质时，除考虑透光率等光学特性之外，还会考虑超声波的传播损耗和性能参数。式(1) 所示一级衍射光的式子中的常数K为

K =(5)

式中，L和H为在垂直于光的行进方向的超声波束的展宽；M 是用下式定义的性能参数：

M =(6)

式中，n是超声波媒质的折射率，P是光弹常数，是密度，v是超声波的声速。M由媒质的物质常数确定，M值 越大，媒质的衍射效率就越高。由式(6)可知折射率大、声速慢的材料，具有的性能参数就大。广泛使用的超声媒质有PbMo、Te、碲化物玻璃、重火石玻璃等，PbMo、Te晶体材料的性能参数大，其特点是即使在高频情况下也能使用。玻璃材料容易获得大的块体，而且比晶体材料便宜，但其高频传播损耗大，因而主要用于低频用器件。声光器件中使用的材料与一般的光学玻璃其折射率大，如不涂防反射膜，光的插入损耗就大。

声光偏转器的驱动频率与一级衍射光强度的关系一般如图所示，

在中心频率两端，1级衍射光强度下降。其原因是换能器的频率特性和布喇格条件的偏离所引起的。如果用1级衍射光强度从最大值下降到一恒定值的频率和定义频带宽度

f =-(7)

由式(4)可知，偏振角λ =λ (8)

比如，设λ = 0.515μm ，= 70MHz ，= 40MHz ，v= 3.4km/s，那么=rad。该偏转角比旋转 镜 和电流计等机械式偏转器小2个数量级。

声光偏转器的分辨率^[3]根据在偏转角范围内可以分辨多少个光点来评价，这就是分辨点数。分辨点数由声光偏转器的偏转角和激光束的发散角确定。下示出了用偏转角为的声光偏转器使波长为λ、直径为D的激光束偏转，然后用 焦距的透镜聚焦的情况。

激光束的发散角为=λ (9)

在透镜的焦面上，直径由下式求得的光点随偏转而移动 d ==λ (10)

光点随偏转而移动的距离L为 L =(11)

因而，可分辨光点数N 为：N =(12)

比如，设D = 10mm，f = 3.4km/s，那么，N= 69。

用声光偏转器使光偏转时，光点在任意两点间移动所需的最小时间就称为存取时间，它由横穿光束的超声波的传播时间确定。即，设媒质中的光束直径为D、超声波速度为v，存取时间则为

=(13)

由式(8)与式(13)可知，偏转和高分辨率存在相反的关系，在应用声光偏转器中当然应充分考虑。

在用声光调制器和偏转器进行激光束调制和偏转的场合，必须 注意激光束的偏振方向。这在使用玻璃媒质的器件中，是不成问题的，但在用晶体媒质的器件中，有时衍射效率会因偏振方向而降低，因而必须使甩在指定方各偏振的激光束。

为了实现宽带宽、高效率、通常用球面透镜和柱透镜将激光束聚二焦。这种场合，必须考虑焦点上的超声波煤质中的能量密度不能超过规定值，如超过规定值，媒质往往会受损伤，同时激光光点发生形，有时在极端情况下则不能进行调制。

激光束入射到器件上的位置，在实用中具有重要意义。即，在声光调制器中，从加调制信号到产生对应于该信号的衍射光之间有一延迟时间。延迟时间取决于从换能器到激光束入射位置之间的距离。要缩短延迟时间，最好让激光束靠近换能器入射，但如靠得太近，则存在因换能器发热而导致光点形变等可能性。