[激光器原理与应用-15]：声光调制器（AOM：Acousto-optic modulator）

第1章概述

1.1 什么是AOM

1.2 AOM的主要参数

第2章主要工作原理

2.1 光的调制技术

2.2 直接调制与间接调制

2.3 声光调制

2.4 声光调制工作原理

第3章声光调制器件

3.1 声光调制器件的类型

3.2 应用

3.3 主要厂家

第4章声光调制器系统

4.1 系统组成

4.2 声光调制器AOM组成

4.3 射频驱动器RF Driver

第1章概述

1.1 什么是AOM

AOM是一种高速、声光脉冲调制器。

AOM是一种通过声光调制器同时实现激光光束调制与激光功率控制的设备。

（1）通过给声光调制器的驱动电源输入高重复频率信号，能够实现激光强度的变化；

（2）除此之外，在输入不同编码的数字信号和频率（TTL调制）之后，也能够得到相应数字编码的光信号，主要应用于激光文字图像处理和激光数字通信领域。

AOM具有调制速度快、体积小、调制效率高、消光比高、易于编码和使用方便等特点。

声光调制器 (AOM) 是一种可用于通过电驱动信号控制激光束功率的装置。

它基于声光效应，即通过声波的振荡机械应变改变某些晶体或玻璃材料的折射率（光弹性效应）。

1.2 AOM的主要参数

第2章主要工作原理

2.1 光的调制技术

光调制技术是一种调制技术，就是将一个携带信息的信号叠加到载波光波上，完成这一过程的器件称为调制器。

调制器能使载波光波的参数随外加信号变化而变化，这些参数包括光波的振幅、位相、频率、偏振、波长等。

承载信息的调制光波在光纤中传输，再由光探测器系统解调，然后检测出所需要的信息。

2.2 直接调制与间接调制

光的调制直接调制与间接调制两种方式。

（1）直接调制

早期的调制方式主要采用直接调制：

它通过改变半导体激光源的注入电流实现发光强度随电信号的变化而变化。这种方法主要光源。

直调激光器是直接调制的关键器件，它将激光的产生和调制同时实现，具有电流阈值低、结构
紧凑、易于集成和成本低廉等优势，但由于调制过程的非线性效应和啁啾效应，导致系统性能降低，常用于中低速通信系统。

啁啾效应

啁啾(zhōu jiū)在汉语里是拟声词，形容鸟叫声。啁啾效应是指信号的频率随着时间的变化而变化。

这是因为改变了注入电流的同时，可能也影响了光信号的输出频率。

（2）外调制

光信号的产生和调制分开，它不需要改变激光器光源的驱动电流，因此避免了频率啁啾的发生，适用于高速通信系统。

2.3 声光调制

（1）声光调制

声光调制是一种外调制技术，通常把控制激光束强度变化的声光器件称作声光调制器。即激光声光调制器后，其输出激光的强度和幅度受到了声波的调制，而声波的波形是通过控制电信号来实现的。

声光调制技术比光源的直接调制技术有高得多的调制频率；

声光调制技术与直接的电光调制技术相比，它有更高的消光比（一般大于1000：1），更低的驱动功率，更优良的温度稳定性和更好的光点质量以及低的价格；与机械调制方式相比，它有更小的体积、重量和更好的输出波形。

（2）消光比

在数字光纤通信系统中，理论上光发射机在传送数字信号过程中，发“0”码时应无光功率输出。但实际的光发射机由于光源器件本身的问题或是直流偏置选择不当，致使发“0”码时也有微弱的光输出。理论分析表明，这种情况将导致接收机灵敏度下降，消光比EXT就是描述光发射机这种性能的指标。所谓消光比，是指激光器在发射全“1”码时的光功率P1与全“0”码时发射的光功率P0之比。

2.4 声光调制工作原理

声光调制器件由声光介质和压电换能器构成。工作过程如下：

（0）一开始，激光可以无条件的通过声光介质(晶体）

（1）驱动电源产生某种特定载波频率的电信号

（2）载波频率的电信号驱动换能器时, 换能器即产生同一频率的超声波信号。

（3）超声波信号并传入声光介质（透明晶体）,在介质内形成折射率变化

（4）激光束通过声光介质（透明晶体）时即发生相互作用而改变光的传播方向即产生衍射。

（5）激光束经过衍射后，输出信号的功率就极大的降低，波束也遭到了破坏。

第3章声光调制器件

3.1 声光调制器件的类型

声光调制器: 通常，AOM 被理解为强度调制器
声光偏转器: 其他声光器件适用于移动光频（→ 声光移频器）或空间方向（声光偏转器）。
声光移频器: 其他声光器件适用于移动光频（→ 声光移频器）或空间方向（声光偏转器）。
AOTF
声光可调谐滤波器

3.2 应用

声光调制器有许多应用：

主要用在彩色印刷、激光成像和显示、光纤通讯开关、仪器及科研中和激光器中。

激光调制器在航空航天和国防，工业和电信以及生命科学和生物光子学领域创新和有效制造等领域得到广泛的应用。

它们用于调Q的固体激光器。AOM，称为Q 开关，然后用于在产生脉冲之前阻挡激光谐振腔。在大多数情况下，在激光条件下使用零级（未衍射）光束，并且在应该禁止激光时打开 AOM。这要求引起的衍射损耗（可能是每个谐振腔往返两次）高于激光增益。
AOM 还可用于固态激光器的腔倾倒，产生纳秒或超短脉冲。在后一种情况下，只有在激光谐振腔相对较长的情况下，AOM 的速度才足够；的电光调制器可以以其他方式是必需的。
有源锁模通常使用 AOM 来执行，以在往返频率或其倍数处调制谐振器损耗。
AOM可以用作脉冲拾取器用于减小脉冲重复率一个的脉冲串，以允许脉冲到高的后续扩增，例如脉冲能量。
在激光打印机和其他设备中，AOM 可用于调制激光束的功率。调制可以是连续的或数字的（开/关）。
在噪声衰减器设备中，衍射损耗可以通过反馈电路来控制，使得传输的功率具有感应强度噪声。
AOM 可用作某些激光通信系统中的外部调制器。

由于射频功率最终会转化为热量，因此通常需要对 AOM 进行水冷。

3.3 主要厂家

声光调制器（AOM）（Isomet）-电光调制器,激光器,光电探测器,光开关-北京波威科技有限公司

声光调制器/AOTF -昊量光电

声光调制器（AOM）（G&H）

声光调制器——基于声光效应的光调制器 - 知乎

声光 Q 开关——用于激光器调Q的声光调制器 - 知乎

第4章声光调制器系统

4.1 系统组成

（1）声光调制器AOM

（2）射频驱动器RF Driver：生成RF信号

声光调制器是用来控制激光束强度的。

可以是简单的开关调制、快速开关、变电平调制提供比例强度控制。

这些模式由RF驱动器类型决定; 数字或模拟调制分别(或两者的组合)。

射频驱动频率通常是固定的，并相应地调整射频振幅。

光的上升和下降时间由AOM中激光束直径和晶体声速决定。

对于高调制速率，光束需要聚焦在AOM上。

从下边的列表中选择调制器的类型：

声光调制器（AOM）（Isomet）-电光调制器,激光器,光电探测器,光开关-北京波威科技有限公司

4.2 声光调制器AOM组成

（1）晶体

AOM 的关键元素是一个透明的晶体（或一块玻璃），光通过它传播。

（2）压电换能器

附在晶体上的压电换能器从射频驱动器（通常通过阻抗匹配装置）获得强振荡电信号，并用于激发频率为 100 MHz 的声波，声波波长通常为10 微米到 100 微米之间。声波在材料中产生行进应变波。通过光弹效应，导致行进的折射率光栅，在该光栅上光可以经历布拉格衍射；因此，AOM 有时称为布拉格单元。

非谐振声光调制器的示意图设置。换能器产生声波，光束在声波处被部分衍射。衍射角被夸大了；它通常只有 1° 的数量级。

对于调制器中非常短的相互作用长度，可以在 Raman-Nath 状态下工作，在那里获得多个衍射级。然而，大多数 AOM 在布拉格机制下运行，其中第一级衍射效率很高，几乎没有散射到其他级。

衍射光束的光学频率增加或减少声波的频率（取决于声波相对于光束的传播方向），并在稍微不同的方向上传播。（方向变化比图 1 小，因为声波的波数与光束的波数相比非常小。）散射光束的频率和方向取决于声波的频率，而声功率是对衍射光功率的控制。对于大多数应用，光频的轻微变化是无关紧要的。

衍射过程可能与偏振相关，也可能不相关，具体取决于器件设计（使用纵波或横波、各向同性或各向异性材料等）。此外，对于具有各向同性相互作用的设备，输出极化与输入极化相同，而对于各向异性调制器，则不同，这些设备仅适用于正确的输入极化。对于 AOM，使用纵向（压缩）波是最常见的，其中衍射效率强烈依赖于偏振。当使用声学横波（声学运动沿激光束方向）时，可以获得与偏振无关的操作。

通常，AOM 被放置在一个小盒子中，在相对的两侧有两个孔或光学窗口，供激光束通过，以及一个用于射频驱动器的连接器。有时，该盒子被放置在旋转台上以进行精确的旋转调整。