聲光調制器——基于聲光效應的光調制器

時間：2021-07-08 來源：新特光電訪問量：4696

聲光調制器 (AOM) 是一種可用于通過電驅動信號控制激光束功率的裝置。它基于聲光效應，即通過聲波的振蕩機械應變改變某些晶體或玻璃材料的折射率（光彈性效應）。

通常，AOM 被理解為強度調制器；其他聲光器件適用于移動光頻（→ 聲光移頻器）或空間方向（聲光偏轉器）。

AOM 的關鍵元素是一個透明的晶體（或一塊玻璃），光通過它傳播。附在晶體上的壓電換能器從射頻驅動器（通常通過阻抗匹配裝置）獲得強振蕩電信號，并用于激發頻率為 100 MHz 的聲波，聲波波長通常為10 微米到 100 微米之間。聲波在材料中產生行進應變波。通過光彈效應，導致行進的折射率光柵，在該光柵上光可以經歷布拉格衍射；因此，AOM 有時稱為布拉格單元。

非諧振聲光調制器的示意圖設置

非諧振聲光調制器的示意圖設置。換能器產生聲波，光束在聲波處被部分衍射。衍射角被夸大了；它通常只有 1° 的數量級。

對于調制器中非常短的相互作用長度，可以在 Raman-Nath 狀態下工作，在那里獲得多個衍射級。然而，大多數 AOM 在布拉格機制下運行，其中第一級衍射效率很高，幾乎沒有散射到其他級。

衍射光束的光學頻率增加或減少聲波的頻率（取決于聲波相對于光束的傳播方向），并在稍微不同的方向上傳播。（方向變化比圖 1 小，因為聲波的波數與光束的波數相比非常小。）散射光束的頻率和方向取決于聲波的頻率，而聲功率是對衍射光功率的控制。對于大多數應用，光頻的輕微變化是無關緊要的。

衍射過程可能與偏振相關，也可能不相關，具體取決于器件設計（使用縱波或橫波、各向同性或各向異性材料等）。此外，對于具有各向同性相互作用的設備，輸出極化與輸入極化相同，而對于各向異性調制器，則不同，這些設備僅適用于正確的輸入極化。對于 AOM，使用縱向（壓縮）波是最常見的，其中衍射效率強烈依賴于偏振。當使用聲學橫波（聲學運動沿激光束方向）時，可以獲得與偏振無關的操作。

通常，AOM 被放置在一個小盒子中，在相對的兩側有兩個孔或光學窗口，供激光束通過，以及一個用于射頻驅動器的連接器。有時，該盒子被放置在旋轉臺上以進行精確的旋轉調整。

衍射效率和對比度

對于小聲功率，衍射效率與聲功率成正比；對于更高的功率，它會飽和。對于足夠高的聲功率，可以衍射超過 50% 的光功率——在極端情況下，甚至可以實現超過 95% 的衍射效率。對于短光波長，更容易實現高衍射效率。

所述對比度被定義為最大和最小的發射功率之比。后者可能受到散射的限制。對于衍射光束，對比度可以非常高（1000 的數量級），但最大透射率則受到衍射效率的限制。非衍射（零級）光束獲得了高的最大吞吐量，但在這種情況下，對比度要低得多。

行波和諧振設計

聲波可能會在晶體的另一端被吸收（通常以某個角度切割以避免由于殘余反射引起的駐波效應）。這種行波幾何結構可以實現許多兆赫茲的寬調制帶寬；它最終受到聲波通過光束區域的單程傳播時間的限制。其他設備利用聲波在晶體另一端的強反射，對聲波進行共振。共振增強可以大大增加調制強度（或降低所需的聲功率），但會降低調制帶寬。

二手聲光材料

聲光器件的常用材料有二氧化碲（TeO 2）、結晶石英和熔融石英；一種還使用硫屬化物玻璃（通常是燧石玻璃）、磷化銦和鍺——后兩種用于紅外應用。對于高頻信號處理設備，可以使用鈮酸鋰和磷化鎵等材料。選擇材料有多種標準，包括彈光系數（實際上有不同的聲光優值）、聲衰減系數、聲速、透明度范圍、光損傷閾值，以及所需的大小。

光纖耦合和集成光學 AOM

盡管大多數 AOM 是大容量器件，但也有緊湊型光纖耦合版本（光纖尾纖 AOM）。來自輸入光纖的光首先被準直，然后通過調制器晶體發送，最后聚焦到輸出光纖中。的插入損耗通常是大約3分貝。

也有在芯片上包含一個或多個聲光調制器的集成光學器件。這是可能的，例如，使用鈮酸鋰 (LiNbO 3 )上的集成光學器件，因為這種材料是壓電材料，因此可以通過芯片表面上的金屬電極產生表面聲波。這種設備可以以多種方式使用，例如用作可調光濾波器或光開關。

AOM 的射頻驅動器

如果將聲光調制器用作調幅器或有源Q 開關，則所使用的電子驅動器通常是一種以固定調制頻率但可變幅度工作的設備。幅度通常由模擬輸入電壓或數字輸入信號（用于開/關調制）控制。

所需的射頻驅動功率很大（有時幾瓦），特別是對于長光波長，通常不夠高，無法實現高衍射效率。

聲光調制器的重要特性

為某些應用選擇聲光調制器時，各個方面可能是必不可少的：

該材料應在相關波長下具有高透明度，并且應盡量減少寄生反射，例如使用抗反射涂層。
在許多情況下，高衍射效率很重要。例如，這在將 AOM 用作高增益激光器中的Q 開關時很重要，對于腔傾倒更是如此。所需的射頻功率會影響電力需求和冷卻問題。對于具有高彈光系數的聲光材料，它較低。
根據器件設計，衍射效率可能與偏振有關。
對于Q 開關和鎖模等腔內激光應用，尤其是高功率應用，需要具有低寄生吸收的 AOM，可能還有激光脈沖的高損傷閾值。高功率水平通常需要大孔徑。對于涉及超短脈沖的應用，色散和光學非線性可能很重要。
輸入孔徑大小限制了可用的光束半徑。用于大光束的 AOM 更昂貴（因為需要更多昂貴的晶體材料），并且暫時它們更慢（見下文）并且需要更多的射頻功率。
的切換時間是對于一些應用（例如調Q和特別關鍵的傾腔）。它受到聲光介質中聲速的限制。這意味著 AOM 切換大直徑激光束必然很慢。人們可以使用直徑減小的聚焦激光束來操作這樣的調制器，但是由于光束發散度的增加，衍射效率可能會降低。

請注意，衍射效率非線性地取決于聲學驅動功率。對于有效的線性響應，需要對驅動信號進行適當的預失真。

對于聲光頻移和聲光偏轉器，其它方面可以發揮作用。例如，低聲速有利于實現寬范圍的波束角。

由于各種權衡，在不同的應用中使用完全不同的材料和操作參數。例如，具有最高衍射效率的材料并不是具有最高光學損傷閾值的材料。大的模式面積可以提高功率處理能力，但需要使用更大的晶體或玻璃片和更高的驅動功率，同時也增加了受聲傳遞時間限制的開關時間。對于快速聲光光束掃描儀，實現高像素分辨率需要大模式面積，而高掃描速度需要較小模式面積。

AOM 的應用

聲光調制器有許多應用：

它們用于調Q的固體激光器。AOM，稱為Q 開關，然后用于在產生脈沖之前阻擋激光諧振腔。在大多數情況下，在激光條件下使用零級（未衍射）光束，并且在應該禁止激光時打開 AOM。這要求引起的衍射損耗（可能是每個諧振腔往返兩次）高于激光增益。
AOM 還可用于固態激光器的腔傾倒，產生納秒或超短脈沖。在后一種情況下，只有在激光諧振腔相對較長的情況下，AOM 的速度才足夠；的電光調制器可以以其他方式是必需的。
有源鎖模通常使用 AOM 來執行，以在往返頻率或其倍數處調制諧振器損耗。
AOM可以用作脈沖拾取器用于減小脈沖重復率一個的脈沖串，以允許脈沖到高的后續擴增，例如脈沖能量。
在激光打印機和其他設備中，AOM 可用于調制激光束的功率。調制可以是連續的或數字的（開/關）。
在噪聲衰減器設備中，衍射損耗可以通過反饋電路來控制，使得傳輸的功率具有感應強度噪聲。
AOM 可用作某些激光通信系統中的外部調制器。

G&H聲光調制器

聲光調制器 (AOM) 允許以遠遠超過機械快門的速率控制和調制光強度，甚至高達 70 MHz。我們的調制器針對低散射和高激光損傷閾值進行了優化。需要了解應用的上升時間、調制速率、光束直徑和功率處理需求，以便確定最佳聲光調制器和射頻驅動器解決方案。

聲光調制器 (AOM) 使用晶體內的聲波來創建衍射光柵。隨著施加的 RF 信號功率的變化，衍射光的量按比例變化。調制器可以像快門一樣使用（以設定頻率循環打開和關閉光），或用作可變衰減器（動態控制透射光的強度）。

選擇調制器的最重要因素是所需的速度。這會影響要使用的材料、調制器設計和 RF 驅動器的選擇。調制器的速度由上升時間描述，上升時間決定了調制器對應用的射頻驅動器的響應速度，并限制了調制速率。上升時間與聲波穿過光束所需的時間成正比，因此受調制器內光束直徑的影響。

聲光調制器

調制器在速度方面分為兩大類。非常快的調制器可以提供高達 ~70 MHz 的調制頻率，并且可以具有低至 4 ns 的上升時間。輸入光束必須非常緊密地聚焦到調制器中才能達到這個速度。然而，低頻調制器沒有這種限制，并且可以接受更大的輸入光束。它們的上升時間通常是相對于輸入光束直徑指定的，單位為 ns/mm。

除了速度之外，我們在確定合適的調制器和射頻驅動器時還會考慮其他選擇標準：

工作波長
光功率
所需的調制類型（模擬或數字）
光束直徑
所需的對比度
光偏振

大多數應用需要調制器“開”和“關”狀態之間的高對比度，因此使用一階衍射光束。這會導致消光比達到 40 dB 或更高，但會導致偏轉光束的吞吐量降低（通常為 85-90%）。在某些應用中，例如強度調平，傳輸更為重要，大約 10 dB 的對比度是可以接受的。這允許使用未衍射的 0 級光束，通常會產生 > 99% 的光通量。

G&H FIBER-Q ?光纖耦合調制器 (FC-AOM)

光纖耦合聲光調制器 (FCAOM) 為光纖激光器的幅度調制提供了一種優雅而強大的解決方案，允許直接控制激光器輸出的時間、強度和時間形狀。我們的 Fiber-Q ?調制器在調制頻率高達 80 MHz 的可見光和紅外波長下，在保偏 (PM) 和非 PM 格式中提供高消光比、低插入損耗和出色的穩定性。Fiber-Q ?系列產品專為可靠性而打造，采用堅固的密封設計，采用緊湊、薄型封裝，非常適合輕松集成到全光纖和 OEM 系統中，包括醫療激光系統。

每個 Fiber-Q ?聲光調制器都需要一個RF 驅動器來生成 RF 信號，從而在嵌入式 AO 晶體內產生聲波。通過 Fiber-Q 的光束調制將取決于施加的 RF 信號的頻率和強度。

光纖耦合聲光調制器

光纖耦合聲光調制器 (FCAOM) 最初由 G&H 開發，用于調制光纖中包含的光強度，而無需斷開光纖以安裝自由空間聲光調制器 (AOM)。傳統上，光纖激光器的調制是使用主振蕩器功率放大器 (MOPA) 實現的。MOPA 限制了可以產生的脈沖形狀，并且需要一個單獨的半導體種子激光系統。光纖聲光調制器的直接集成是一種簡單得多的方法，除了降低損耗外，還允許光路保持閉合，以獲得更好的功率處理和可靠性。

光纖耦合聲光調制器 (FCAOM) 可以直接控制光纖激光器有源輸出的時間特性，提供更廣泛的脈沖形狀。作為聲光效應的副產品，通過光纖耦合調制器的一階衍射模式的光也會經歷頻移和光束偏轉。這使得我們的 Fiber-Q ?產品不僅可以用于調制，還可以用于激光以外的應用，例如光外差干涉測量。最近增加的visible Fiber-Q ?產品還將在生物醫學應用（如顯微鏡和流式細胞術）中實現更緊湊的全纖維儀器設計。

非密封光纖耦合 AOM

非密封光纖耦合聲光調制器

今天，G&H 提供一系列光纖聲光調制器，專為低插入損耗、高消光比和出色的回波損耗而設計。Fiber-Q ?系列的典型光學性能包括：

插入損耗：低至 2 dB，具體取決于型號
消光比：50 dB
回波損耗：40 分貝
偏振消光比：20 dB（保偏型號）

我們利用我們在電信組件設計方面的專業知識來創建一系列高度可靠的光纖調制器，調整我們的工藝和設計以應對高光功率和精確光纖對準的挑戰。我們在內部培育自己的二氧化碲 (TeO 2 ) 晶體、拋光和執行制造的所有階段，以在整個制造過程中實現低散射和嚴格的質量標準。這確保了始終如一的高可靠性、高激光損傷閾值和高光學性能。

保偏光纖 Q 偏振保持 1550 nm 密封光纖耦合聲光調制器