表面波聲光偏轉器

當對表面波聲光調製器不加調製信號，而只改變載波的頻率時，衍射光會隨著頻率的改變具有不同的偏轉角，即構成了表面波聲光偏轉器。在表面波聲光器件中，聲表面波的速度是隨頻率變化的，這種色散現象在頻帶內引入一個色散因子。色散因子大於1，即相當於這種色散現象使頻點展寬了。

基本介紹

• 中文名：表面波聲光偏轉器
• 類型：一種表面波聲光器件
• 用途：用作多通道快速光開關

工作原理

如圖1-1所示，當入射光束被超聲光柵衍射時，產生衍射光。衍射光的傳播方向偏離了入射光的傳播方向，兩光束之間的夾角稱為偏轉角。光偏轉角的大小，也即偏轉光束方向的變化與輸入電信號的頻率相對應。改變輸入電信號的頻率，光偏轉角也相應地線性變化，於是可得到不同傳播方向的輸出光，採用適當的器件結構設計，它能分辨較小的頻率間隔產生的衍射光點，這就是表面波聲光偏轉器的原理。

圖1-1 表面波聲光偏轉器的工作示意圖

表面波聲光偏轉器常採用布拉格衍射模式。根據衍射光的偏振狀態相對於入射光偏振狀態的變化情況，可以把聲光互作用分為正常聲光互作用和反常聲光互作用。如果偏轉器入射光束通過聲光衍射後，衍射光與入射光具有相同的偏振態，即入射光經過聲光衍射後衍射光的偏振狀態沒有變化，這類聲光器件稱為正常布拉格表面波聲光偏轉器；反之，光束通過聲光衍射後，偏轉光與入射光有不同的偏振態，即衍射光的偏振方向與入射光的偏振方向正交，這類聲光器件稱為反常布拉格表面波聲光偏轉器。利用TeO₂中慢切變波的反常布拉格衍射器件是目前性能最好的表面波聲光偏轉器。圖1-2和圖1-3分別表示了正常布拉格衍射和反常布拉格衍射的波矢量圖。圖中K_i、K_d、K分別代表入射光矢量、衍射光矢量、聲矢量。

圖1-2 正常布拉格衍射波矢量圖

圖1-3 反常布拉格衍射波矢量圖

主要特性

雷射束通過聲光介質後由於聲光互作用效應，輸出光的傳播方向方生變化。雷射偏轉的角度與超音波頻率對應，通過控制輸入電信號的頻率，就可以獲得不同偏轉方向的衍射，即實現光的偏轉。表面波聲光偏轉器在掃描套用時通常有兩種輸出方式：隨機偏轉和線掃描方式；有時在信息處理或其他套用中也有多個信號同時輸入方式。輸出狀態的選擇取決於使用系統的要求。例如：全息光存儲的快速雷射定址要求隨機輸出的光偏轉方式；而大螢幕雷射顯示則要求線掃描輸出的光偏轉器（或稱光掃描器）。表面波聲光偏轉器最主要的特性參量有：頻寬、分辨力、衍射效率，在信息處理中有時也用時間頻寬積指示替代前兩個參數。

表面波聲光偏轉器的頻寬有時也稱3dB頻寬,定義為衍射效率隨著頻率的變化，從峰值下降到一半時對應的頻率範圍。表面波聲光偏轉器的頻寬決定了能夠掃描的點數和掃描角度，在信號處理中決定了可處理的信號頻率頻寬和信息量。表面波聲光偏轉器的頻寬包含了器件布拉格頻寬和壓電換能器頻寬。壓電換能器的頻寬主要由壓電換能器材料、鍵合層材料以及其他各膜層材料的性能，和各膜層的設計及工藝製作技術決定；而器件布拉格頻寬的設計是保證表面波聲光偏轉器的頻寬的關鍵。

在討論布拉格聲光互作用頻寬時通常以動量失配因子或位相失配因子的大小來確定。要保證聲光互作用達到最佳狀態必須要滿足動量匹配條件，此時位相失配因子為零。當超音波矢量或入射光矢量方向改變時，動量匹配條件將不可能完全滿足，位相失配因子增大，衍射效率降低。所以提高布拉格聲光互作用頻寬的關鍵是怎樣保證在儘可能大的頻率頻寬範圍內，位相失配因子較小。最直接的方法是減小壓電換能器的長度，增大超音波發散角，就可以達到較寬範圍的頻率位相失配因子較小，但是，減小換能器的長度又可能帶來衍射效率的降低，只有很少一部分超聲能量與光發生器相互作用，而大量的超聲能量將浪費；過小的換能器長度也不能保證聲光衍射進入布拉格區。較好的辦法是採用多片結構位相陣列換能器的超聲跟蹤技術。在一級近似下，相鄰兩片換能器的相差是恆定的，被激勵的多束超音波干涉加強的方向隨頻率的改變而改變，即超音波前隨聲波頻率的改變而發生相應轉動，自動跟蹤布拉格角，在很寬的頻率範圍內動量匹配都能得到滿足，從而使布拉格頻寬顯著增加。同時，多片結構壓電換能器可以保證聲光互作用長度很大，有利於提高衍射效率。

表面波聲光偏轉器的分辨力定義為滿足嚴格可分離條件下的兩個衍射光點所對應的最小頻率差值，在信號處理系統套用時指能夠處理的兩個頻率信號的最小頻率差值。表面波聲光偏轉器的分辨力就是超聲渡越時間的倒數，超聲渡越時間是指超音波穿越雷射束需要的時間，它決定了在一定頻寬的情況下，能夠掃描的光點數或信息處理容量。要保證表面波聲光偏轉器的分辨力儘可能高，應該從兩個方面考慮，增大光束的直徑或減小超音波的速度。氧化碲晶體是一種常用、較理想的聲光介質材料，它在[110]方向傳播切變波時就可以得到極高的聲光優值，也有極低的速度。但由於氧化碲晶體在[110]方向的聲衰減係數很大，所以它只能適用於工作頻率較低時；工作頻率較高時通常使用鈮酸鋰晶體、磷化鎵晶體等。

表面波聲光偏轉器的衍射效率是指一級衍射光與總光強之比。衍射效率高即輸出光能量強，也是所有聲光器件的共同要求。要得到高的衍射效率首先必須選擇有高聲光優值的聲光材料，比如氧化碲晶體作聲光介質，當[110]方向傳播切變波時就可以得到極高的聲光優值，是最理想的聲光介質材料。壓電換能器材料的選擇和聲光器件製作工藝技術，特別是壓電換能器和聲光介質之間的鍵合工藝技術，也是獲得高衍射效率的重要因素。當然提高驅動功率也能提高衍射效率，但驅動功率太高又會帶來很多負面影響，所以通常必須限制驅動功率的大小。

典型套用

表面波聲光偏轉器無機械運動部件，掃描速度快、分辨力強體積小、重量輕、使用方便、穩定可靠。在軍事套用方面，特別在區域電子對抗的雷射武器、雷射偵察、雷射干擾技術中，它適合於遠距離目標的多點測試，確定目標的頻率，進而確定對目標的雷射干擾、測量。在車載設備中，可作為指揮自動化系統的精確偵察機和干擾系統，是雷射偵察等設備中的關鍵部件。在民用方面，該項技術亦有廣泛的用途，如聲光頻譜分析、聲光相關、高密度存儲系統、雷射掃描系統等。

聲光頻譜分析

聲光頻譜分析是表面波聲光偏轉器在軍事上最典型的套用。當代是信息傳輸和處理技術高速發展的時代，頻譜分析在電子對抗和射頻套用中具有極重要的意義。隨著電子技術的發展，電磁波信號環境正變得越來越複雜，高密度大瞬時頻寬信號充斥其間。在這種環境下，要求頻譜分析具有寬頻、高增益、實時並行處理能力。傳統的頻譜分析設備滿足不了這種要求。唯有光學系統具有高度的並行處理能力和特有的大頻寬性能，這樣在本質上具有並行處理能力的光學與具有高轉換效率的聲學換能器結合的產物——聲光器件就顯示了巨大的潛在優勢。採用聲光技術的頻譜分析系統就是適應這種要求而蓬勃發展起來的一種新型頻譜分析設備。聲光頻譜分析系統瞬時頻寬，搜尋速度快，能夠實現全機率截獲信號，可同時處理時間上重疊的多個頻率信號。目前，性能優良的聲光器件愛具有GHz級頻寬和1000以上的時間頻寬積。

雷射掃描系統

按照雷射的偏轉方式，雷射掃描系統的研製方向有兩類：一是光機掃描，二是聲光掃描。光機掃描就是利用機械帶動反射系統旋轉或擺動，優點是原理簡單、掃描範圍大，缺點是機械結構精度差、穩定性較難控制。聲光掃描利用表面波聲光偏轉器使光束髮生偏轉實現掃描，具有控制容易，掃描速度快，系統簡單的優點，缺點是光束掃描角小、價格較貴。

圖1-4 聲光——光機結合的雷射掃描系統

對於雷射二維掃描系統，由於幀掃描要求的頻率低，使用光機掃描的方式完全能滿足其掃描速度的要求，行掃描則採用頻率高、精度高的聲光掃描方式。這種雷射掃描系統在生物學、醫學、材料科學及微電子學等領域得到廣泛套用。圖1-4給出了聲光——光機結合的雷射掃描系統。