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(duì)布拉格衍射時(shí)聲光器件的調(diào)制、帶寬和中心頻率特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究， 并對(duì)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(shí)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

中圖分類號(hào)：TN929.13 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2018）07-0042-03

超聲波在介質(zhì)波中的傳播，會(huì)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1932年法國的Lucas和Biquard就對(duì)聲光效應(yīng)做了實(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(jí)衍射效率理論上可達(dá)到100%，而喇曼-納斯衍射中一級(jí)衍射光的最大衍射效率僅為34%[3]。因此，本文主要對(duì)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(duì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)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(huì)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(shí)，此時(shí)的聲擾動(dòng)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>2λS2/λ（λ為光波波長，λs為超聲波波長）時(shí)，且光波的入射角滿足布拉格衍射角時(shí)，各級(jí)衍射光在介質(zhì)內(nèi)相互干涉，抵消了高級(jí)次衍射光，只剩0級(jí)和+1級(jí)（或-1 級(jí)）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)生布拉格衍射時(shí)，設(shè)入射光強(qiáng)為Ii，則1級(jí)衍射光強(qiáng)可表示為：

上式中，Δn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Δn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(jí)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(shí)驗(yàn)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(hào)發(fā)生器的頻率可調(diào)范圍為80～120MHz，功率信號(hào)源在0-100mA可調(diào)。

2.1 聲光器件的頻率特性分析

對(duì)聲光器件的頻率特性分析而言，中心頻率和帶寬是兩個(gè)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(jí)衍射光的相對(duì)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(shí)對(duì)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(shí)對(duì)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(shí)衍射效率高達(dá)98.5%。找出相對(duì)強(qiáng)度下降到最高值的時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率為：f1=85MHz，f2=108.5MHz?？芍獛挦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(hào)源的超聲波頻率在上述分析的的中心頻率99.5MHz上，記錄0級(jí)光強(qiáng)（I0）和1級(jí)衍射光強(qiáng)（I1）以及超聲波功率（Ps），可得出其相對(duì)聲光調(diào)制曲線如圖3所示。由圖可以看出：隨著信號(hào)源功率的增大，0級(jí)衍射光逐漸減小，1級(jí)衍射光逐漸增大。當(dāng)功率較低時(shí)，起主要作用的是0級(jí)衍射，當(dāng)功率大于72mA時(shí)，1級(jí)光強(qiáng)度超過了0級(jí)光強(qiáng)度，起主要作用的是1級(jí)衍射光。因此，可以通過調(diào)節(jié)超聲波功率的大小實(shí)現(xiàn)對(duì)衍射光光強(qiáng)的控制。

3 模擬聲光通信實(shí)驗(yàn)

利用聲光效應(yīng)產(chǎn)生的布拉格衍射，對(duì)音頻信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，可實(shí)現(xiàn)聲光模擬通信，其實(shí)驗(yàn)裝置原理圖如圖4所示。在模擬聲光通信實(shí)驗(yàn)中，功率信號(hào)源打在“調(diào)幅”檔，信號(hào)發(fā)送器將音頻信號(hào)加載在由聲光功率信號(hào)源產(chǎn)生的高頻的聲波中。聲光功率信號(hào)源將調(diào)幅信號(hào)發(fā)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(hào)的衍射光在光電池盒中被轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，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(hào)，完成音頻信息的傳輸。

在實(shí)驗(yàn)前，首先要調(diào)節(jié)激光源功率及功率信號(hào)源幅度，使衍射光強(qiáng)適中，避免信號(hào)飽和引起的傳輸失真[7]。實(shí)驗(yàn)解調(diào)信號(hào)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(hào)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(shí)，示波器上的光電信號(hào)隨之變密集，這是因?yàn)榧す饨?jīng)過調(diào)幅調(diào)制為載有音頻信號(hào)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(huì)變得稀疏。其次，改變功率信號(hào)源的大小，示波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(duì)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(hào)隨超聲波頻率和功率信號(hào)源的功率變化而變化，這是由于音頻信號(hào)在聲光器件中受到功率信號(hào)源的調(diào)幅調(diào)制。

4 結(jié)語

本文對(duì)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(shí)驗(yàn)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(hào)頻率。此外，本文還對(duì)音頻聲光通信進(jìn)行了模擬，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該聲光器件對(duì)音頻信號(hào)起到了很好的調(diào)制作用，在今后的研究中開展視頻信號(hào)的聲光通信實(shí)驗(yàn)還有待進(jìn)一步的研究。該研究不僅為聲光效應(yīng)實(shí)驗(yàn)提供了完備的理論指導(dǎo)，更為聲光通信的實(shí)際應(yīng)用研究提供了可靠依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

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