福晶小课堂 | 声光偏转器及其应用(一)：声光偏转器原理【连载】

　　声光偏转器及其应用(一)

　　声光偏转器原理

　　声光偏转器是利用声光效应而设计的功能器件，在光束控制、光信号处理、光计算、光通信等领域得到广泛的应用。

　　声光器件是福晶科技的核心器件产品，本期福晶小课堂推出《声光偏转器连载栏目》，连续三天为您系统详尽地介绍关于声光偏转器的基础原理、应用领域、产品系列等相关知识和发展方向。

图1.1 声场作用示意图

　　在连载(一)中，我们首先来了解声光偏转器及其工作原理。

　　超声波在晶体中传播会使晶体折射率发生周期性变化，从而使入射光发生衍射的现象称为声光效应。声光偏转器(AODF)是基于声光效应原理而开发的器件，偏转角度可通过控制射频驱动器的频率来精确控制。与传统振镜扫描光束相比，声光偏转器具有超高扫描速度(扫描速度超过250KHz，而一般振镜扫描频率往往在KHz水平)，宽光谱范围，高扫描分辨率，高光通量等优点。

PART ONE

声光效应

　　超声波在声光晶体中传播时，会导致晶体折射率的周期性变化，类似产生一个相位体光栅，入射光发生衍射，如图1.2所示。可通过改变超声场功率和频率的变化来有效控制衍射光的方向、强度和频率[1]。

图1.2 声光效应原理图

　　声光效应最初在1922年被L.Brillouin所预言[2];美国科学家P.Debye和W.Sears通过实验验证了声光衍射的存在[3];随后由于激光的出现，从1966年到1976年，声光相互作用理论与声光器件的研究得到了迅速的发展，其中狄克逊的Dixon方程，W.R.Klein和B.D.Cook的声光耦合波方程I.C.chang的动量匹配和失配理论不断完善了人们对声光效应的认知[4]。

　　C.Raman和N.Nath用耦合波方程对声光衍射中的多级衍射光与一级衍射光的关系进行了解释，并且把声光作用方式分为布拉格(Bragg)衍射与拉曼-奈斯(Raman-Nath)衍射[5]。声光相互作用存在一个特征长度L0，拉曼-奈斯声光效应的相互作用区域比较短，L≤L0，声光晶体相当于一个平面光栅，对入射光方向要求不严格，如图1.3(a)所示，可以产生多级衍射光;布拉格声光效应的相互作用区域比较长，L≥2L0，整个晶体相当于是一个体光栅，对入射光方向要求很严格，只有满足布拉格条件的入射光才能产生衍射光，高级衍射光几乎被相互抵消，只剩下0级和±1级衍射光，见图1.3(b)。由于布拉格衍射具有极高的衍射效率，因此我们声光器件的设计与应用多使用布拉格衍射。

(a)拉曼-奈斯衍射 (b)布拉格衍射

图1.3声光作用方式

PART TWO

声光晶体

　　制作声光器件需要具有弹性系数大、介质均匀性好、声速小、超声衰减小、光透过范围宽、尺寸大等特性的声光晶体。目前主要使用的声光晶体有钼酸铅(PbMoO4)、二氧化碲(TeO2)、铌酸锂(LiNbO3)、石英(Quartz)和熔融石英(Fused Silica)等材料，这些材料具有衍射效率高与工作带宽大等特性，通过对工作模式的优化，可实现器件功能的优化设计。

PART THREE

声光偏转器工作原理

　　声光偏转器主要由声光介质和电声换能器组成，模型如图1.4所示，声光介质是声光相互作用的媒介，电声换能器也称超声波发生器，作用是将电功率转化为声功率，使得在介质中产生超声场。由于声波是一种弹性波，声波在介质中传播会产生弹性应变，这种现象称为弹光效应，弹性形变又会导致介质折射率发生变化。这种折射率的变化载有声波信息，效果相当于在介质上建立了折射率光栅，其间隔等于声波的波长。超声波频率随不同频率的接收信号改变时，光栅间隔也跟变化。在一定条件下，光束穿过折射率光栅时会发生布拉格衍射。电声换能器输入电压信号的变化可改变声波频率，控制不同角度的声波偏转。布拉格衍射时，理论上入射光束能量可以全部转化到衍射光束，衍射效率级高。

图1.4 声光偏转器原理示意图

　　由声光布拉格衍射理论可知，光束以θi角入射产生的衍射极角应满足布拉格条件：

　　其中θi为入射角，θd为衍射角，θB为布拉格角。

　　布拉格衍射角一般很小，与光波长λ，声波长λs和晶体折射率n有关，可以写为：

　　故衍射光与入射光夹角(偏转角)为布拉格角2倍，即：

　　可知，声速vs确定，改变超声波频率fs，就可以改变偏转角θ，进而达到控制光束传播方向的目的，超声波频率改变Δfs引起光束偏转角的变化为：

　　所以，当声光器件工作于布拉格模式时，衍射光束方向与超声波频率和入射光束有关，且偏转范围与Δfs成正比。

PART FOUR

性能指标

　　声光偏转器的主要性能指标包括如下的衍射效率、可分辨点数、速度容积比、偏转时间、带宽等。

　　动量匹配的布拉格衍射下，一级衍射光衍射效率为：

　　式中，L、H、Pa、M2分别为换能器的长度、宽度、超声波功率及声光优值，M2是描述声光晶体本身性质的常数，表达式为：

　　其中，ρ为晶体密度。ni和nd分别为入射光与衍射光折射率，Peff为有效声光系数。由衍射效率公式可知，参数合适时衍射效率可为1。

　　可分辨点数N决定声光偏转器件的容量，

　　定义为：

　　Δα为总扫描角，Δφ为光束本身发散角。

　　偏转时间等于渡越时间τ，τ定义为超声波通过激光束宽度w所用时间，

　　即：

　　数值的大小是设计声光偏转器的重要指标，称为速度容积比，该指标只取决于器件的工作带宽Δf。

　　在声光相互作用过程中，超声波使入射光束在一定频率范围内实现布拉格衍射，该频率范围称为布拉格带宽。布拉格衍射需满足动量匹配条件Δk=0，θi与f的关系由Dixon方程确定，每一个入射角θi对应唯一的超声频率f。因此在超声频率内选择合适方向的超声波，使入射角满足Dixon方程，就是主要考虑的布拉格带宽问题。设频带的高端频率为fH，低端频率fL，二者满足

　　由上式可以看出，确定了器件的工作带宽即可确定器件的中心频率fc以及高、低端频率。定义非超声跟踪的声光互作用相对带宽为：

　　上式称为倍频程带宽，在声光器件优化设计上，相对带宽要小于或等于0.67。

　　伴随光电子技术的发展，声光器件以其优异的性能已在诸多领域得到广泛的应用。在下期的连载中我们将详细介绍声光偏转器的性能优势和应用领域。

福晶小课堂 | 声光偏转器及其应用(二)：声光偏转器的优势和应用【连载】

　　声光偏转器及其应用(二)

　　声光偏转器的优势和应用

　　在上一期的小课堂，《声光偏转器及其应用连载一：声光偏转器原理》中我们详细的介绍了声光偏转器的相关基础理论和主要性能指标，这一期的连载我们来谈一谈声光偏转器的优势和应用。

PART ONE

声光偏转器优势

　　用于改变光束在空间传播方向的光偏转器大致分为两大类：

　　第一类用机械的方式转动反射镜(或多面反射体)以改变光束至镜面的入射角，达到使反射光束偏转的目的，比如振镜、转镜和MEMS扫描镜等;

　　第二类常用的光偏转器是利用电光效应或声光效应改变透明介质的折射率，达到偏转光束的目的，包括依赖于声光效应、电光效应和光学相控阵的新型偏转技术等实现高速光束偏转。

　　我们从适用波长范围、偏转角度、偏转速度、损伤阈值等性能指标对常见的光偏转系统进行对比。如表2.1所示，我们容易发现液晶及MEMS器件受限于较低的损伤阈值，电光偏转器受限于其偏转角度，导致这些器件未能得到广泛应用。而多面转镜虽然具有较好的性能参数，但由于系统复杂，因此也未能得到普及。因此，振镜及声光偏转器件是目前应用最广泛的偏转方案。振镜基于机械扫描，受限于机械惰性，通常扫描速度只能达到10kHz，而声光偏转器采用全固态方案，最大扫描速度可达振镜速度的10倍以上。

表2.1 声光偏转器与其他光扫描器件性能对比[1]

　　声光偏转器在对激光光束偏转时，在器件偏转角度范围之内可以实现连续扫描，快速任意选区，并且在所有扫描位置衍射激光功率均匀。相比于通常使用振镜扫描光束，声光偏转器具有超高的扫描速度(扫描速度最快超过250KHz，一般振镜扫描频率往往在KHz水平)，更高的信噪比，宽光谱范围，高扫描分辨率，高光通量等优点。

PART TWO

声光偏转器的应用

　　声光器件体积小、重量轻，在实际应用有很多优点，比如驱动功率小、衍射效率高、调制深度大和稳定性好等，同时声光技术还具有实时并行处理能力，以及时间带宽积大、易于与计算机兼容和进行自动化控制等特点，因此声光器件被广泛应用于光束控制[2]、光通信系统[3]、成像技术[4]等领域，使声光器件成为科学研究中一种重要的调制器件[5]。声光调制器种类繁多，结合主题，我们来看一下声光偏转器在不同领域的应用。声光偏转器作为一种光电子器件，具有极宽的衍射带宽，且光线偏转角与驱动超声波频率成正比，其应用领域主要有频谱分析[6]、光束控制技术[7]、图像扫描[8]、光学成像[9]及显微技术[10]等。

　　1、频谱分析领域

　　声光频谱分析仪不同于传统频谱分析仪，它可以实现对信号的并行处理，即不同频率信号可以同时到达接收器，从而加快了分析速度，因此在天文和军事中应用广泛。声光频谱分析仪原理如图2.1所示，含有多种频率成分的电信号经过变频放大，然后转化成多种频率的超声波加在声光器件上，当入射激光经过时就会出现多种方向的衍射光，且衍射光强度与对应的超声波频率成正比。

图2.1 声光频谱分析仪原理图

　　2、光束控制技术领域

　　近年来，光束控制技术得到了广泛的应用，特别是在分子生物力学的分析处理领域，光钳作为一种光束控制技术，主要通过聚焦激光捕获和操控微观物体，并能探测揭示运动蛋白作用、RNA折叠和染色体运动等机制[11]。此外，它还用于微电子机械系统(MEMS)的操作和组装，光钳系统通常是由光学显微镜观测，用激光移动控制，再利用传感器反映到CCD和计算机，记录监控整个过程。

　　图2.2给出基于声光偏转器的扫描光钳系统原理图，Nd:YAG激光发射的连续波激光束通过计算机控制的AOD实现光束漂移。将光束用扩束器扩束后送入显微镜，扩展后的光束通过二色镜耦合到显微镜光路中，然后使用数值孔径为1.0的水浸物镜将其紧紧聚焦到样品室中。利用AOD与计算机软件，通过光标控制光阱的位置和强度，图像由CMOS摄像机采集，并由计算机实时记录进行分析[12]。

图2.2 基于声光偏转器(AOD)的光钳系统原理图[12]

　　3、图像扫描领域

　　物体表面的三维面型传感是立体数字成像领域的核心技术之一。为了实现动态三维成像，最新的研究进展将一阶光束与两个声光偏转器产生轻微的频差衍射，形成拍强条纹图。同时将CCD相机触发信号的频率设置为拍频的4倍，即可得到相移条纹图，并计算出其相位图(WPM)[13]。在三个摄像机的极线约束下，利用WPM辅助可清晰确定对应点，从而在跳过相位展开步骤的同时重建三维形状。动态三维成像的结构如图2.3所示，捕获部分由三个摄像机组成，摄像机由外部触发器控制，同步获取变形条纹图，进一步得到三维面立体像。

图2.3 三维成像系统结构[13]

　　声光偏转器还可以用于记录激光强度分布的高速成像[14]，如图2.4所示，为了使入射光偏转时在晶体表面激发的声波产生的最小时间延迟为1us，当使用声光偏转器作为快门时，该相机允许成像速度为微秒级，使用测试模式的实验显示偏转图像没有失真。用这种高速成像的方法，激光诱导击穿过程中在空气中的密度变化通过阴影照射和干涉测量进行可视化。

图2.4 基于声光偏转器的激光高速成像原理图[14]

　　4、显微成像领域

　　双光子显微技术已成为生物学探索研究神经元功能方向的一项重要技术，该技术穿透深度大，立体选择性强，已成功应用于活体动物的神经计算。基于三维声光偏转的双光子显微镜实现了三维高效成像，由四个声光偏转器(AODs)组成的球形声光透镜(AOL)可以在三维空间中快速地引导和聚焦双光子显微镜的激光束，如图2.5所示，飞秒激光束在到达声光透镜(AOL)之前通过基于双通道棱镜的预啁啾器，该预啁啾优先补偿了构成AOL和微区其他光学元件的四个TeO2 晶体的AOD引入的时间色散，光束由两个4f系统从AOL传递到显微镜物镜后焦平面，成像体积内焦点的位置由AOL精确而迅速地控制。基于这种色散补偿的AOD扫描双光子显微镜，提供了更快和更灵活的成像速率[15]。

　　图2.5 基于四个AOD (X+， Y+， X-， Y-)的三维双光子AOL显微镜示意图[15]

　　不同领域的声光偏转应用需要不同类型的声光偏转器来实现其功能，更需要优异稳定的产品来保证其运作。

　　下一期的连载将给大家介绍声光偏转器的主要类型以及福晶科技的声光偏转器系列产品。

福晶小课堂 | 声光偏转器及其应用(三)：福晶科技与声光偏转器【连载】

　　声光偏转器及其应用(三)

　　福晶科技与声光偏转器

　　在《声光偏转器及其应用连载二：声光偏转器的优势和应用》一文中，我们了解到声光偏转器广泛应用于频谱分析、光束控制、图像扫描和显微成像等诸多领域。在面对不同的应用和需求时，我们需要不同类型和性能参数的声光偏转器来实现其功能。

PART ONE

声光偏转器类型

　　1、正常声光偏转器与反常声光偏转器

　　按入射光与衍射光的偏振特性对布拉格衍射进行区分，可分为正常布拉格衍射与反常布拉格衍射两类，所以偏转器也可以分为正常声光偏转器与反常声光偏转器两类。

　　正常声光偏转器衍射光与入射光偏振状态相同，因而折射率也相同，入射光是o光，则衍射光也是o光，正常声光效应一般由超声纵波引起;反常声光偏转器中衍射光偏振方向与入射光不同，折射率也不同，入射光是o光，则衍射光为e光，反常声光效应一般由切边波引起，而利用TeO2晶体中的慢切变波实现反常声光衍射是目前性能最好的声光偏转器之一[1]。

　　沿TeO2[110]方向传播的慢切变波声速只有616m/s，是一般晶体中声速的1/5到1/10，这样小的声速也给反常声光偏转器的性能带来了很多优势：

　　第一，声光器件特征长度与声波长平方成正比，同声波频率下即与声速成正比，特征长度将会伴随声速的变化而减小至原来的数十倍，器件尺寸可以做的极小，却很容易进入布拉格衍射区;

　　第二，声光优值与声速三次方成反比，声速缩小5-10倍，声光优值M2将扩大数百倍，反常声光器件可以使用极小的驱动功率获得很大的衍射效率;

　　第三，扫描角和扫描速率与声速成反比，也会增大5-10倍，这对于大面积扫描来说有极大的优势。

　　2、单片结构声光偏转器与超声跟踪声光偏转器

　　声光偏转器按换能器片数的多少可以分为单片结构与多片结构两大类，单片结构中换能片产生的超声波传播方向固定不变，称为非超声跟踪偏转器;多片结构中各换能片产生的超声波进行干涉叠加，使得合成的超声波传播方向能随声频率而变化，称为超声跟踪偏转器[2]。

　　如图3.1(a)所示，在单片结构的声光偏转器中，换能器激发的超声主方向a是固定的，并且沿换能器晶面法线方向，这说明此时的工作频带范围，并不能保证a与满足动量匹配条件的声波矢量方向b始终保持一致，只能在某一特定频率处声方向一致，超声利用率比较低，也会造成在换能器尺寸选择上进入布拉格衍射区与布拉带宽相矛盾。

　　为了克服单片式的缺点，使得超声主方向a能随频率变化，自动跟踪起作用的超声b方向，将换能器分为多片，使a由多个换能片激发超声波相干叠加，就像衍射光栅中主极大谱线的方向随光波长而变，超声主方向也随声波长，即声频率而变化;可用一个驱动电源，通过不同的连接方式实现相邻两换能片间不同的位相差。如图3.1(b)所示，这样设计不仅能保证倍频程带宽条件，还可以大大调高换能器长度[3-4]。

图3.1 (a)单片式声光偏转器

图3.1(b)多片式超声跟踪偏转器

PART TWO

福晶科技与声光偏转器

　　声光偏转器的研制涉及电、声、光等多学科内容，是一类复杂的光学功能元器件。福晶科技通过多年的研究及积累，已建立起涵盖声光偏转器设计开发、性能仿真、晶体生长，精密加工、器件封装以及质量控制的完善体系。

　　1、福晶科技的声光偏转器使用自主生长的TeO2和LiNbO3晶体分别作为声光介质和压电换能器。通过先进的晶体生长和抛光加工工艺保证了声光介质和换能器的高光学、电学品质，使其偏转器具有低插入损耗、高损伤阈值，以及高的全扫描角范围内衍射效率和功率一致性的优势。

图3.2 福晶科技自主生长的TeO2晶体

图3.3 福晶科技生长的LiNbO3晶体

　　2、福晶科技基于三十多年深厚的光学加工积累，在高损伤镀膜和高质量压焊等重点工艺上形成了独特的优势，保障了声光偏转器的优越性能;通过不断打磨高效的生产流程、精确的品质控制，确保了在批量生产过程中，产品优异的一致性，所制作的一维、二维及双射频声光偏转器产品性能优异、可靠性高。

图3.4 福晶科技生产的一维双射频声光偏转器

图3.5 福晶科技生产的二维声光偏转器

　　3、通过丰富的研究及技术迭代，福晶科技不仅能够提供多品类常规声光偏转器件，同时也具备特殊声光偏转器件的设计和加工能力。福晶科技的器件研发团队在大带宽实现、反常器件设计和超声跟踪问题上有丰富的经验，在推进高衍射效率、大偏转角以及大孔径声光偏转器件的研发上，不断取得突破，同时建立了该系列产品更加完善的应用模型。

　　声光器件具有体积小、重量轻、调制深度大、长期稳定性好等诸多特点。随着激光技术的不断发展，应用创新的持续开发，声光器件在光场调控方面的能力将进一步被挖掘。

　　未来，福晶仍将致力于向市场推出性能更好的声光器件，与客户分享更多声光技术的研发成果，共同推进激光应用技术的迭代，让激光实现更多可能。