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

通常，AOM 被理解為強(qiáng)度調(diào)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(zhuǎn)器）。

AOM 的關(guān)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(qū)動器（通常通過阻抗匹配裝置）獲得強(qiáng)振蕩電信號，并用于激發(fā)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(chǎn)生行進(jìn)應(yīng)變波。通過光彈效應(yīng)，導(dǎo)致行進(jìn)的折射率光柵，在該光柵上光可以經(jīng)歷布拉格衍射；因此，AOM 有時稱為布拉格單元。

非諧振聲光調(diào)制器的示意圖設(shè)置。換能器產(chǎn)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(shù)量級。

對于調(diào)制器中非常短的相互作用長度，可以在 Raman-Nath 狀態(tài)下工作，在那里獲得多個衍射級。然而，大多數(shù) AOM 在布拉格機(jī)制下運(yùn)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(xué)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?yàn)槁暡ǖ牟〝?shù)與光束的波數(shù)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(shù)應(yīng)用，光頻的輕微變化是無關(guān)緊要的。

衍射過程可能與偏振相關(guān)，也可能不相關(guān)，具體取決于器件設(shè)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(shè)備，輸出極化與輸入極化相同，而對于各向異性調(diào)制器，則不同，這些設(shè)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(qiáng)烈依賴于偏振。當(dāng)使用聲學(xué)橫波（聲學(xué)運(yùn)動沿激光束方向）時，可以獲得與偏振無關(guān)的操作。

通常，AOM 被放置在一個小盒子中，在相對的兩側(cè)有兩個孔或光學(xué)窗口，供激光束通過，以及一個用于射頻驅(qū)動器的連接器。有時，該盒子被放置在旋轉(zhuǎn)臺上以進(jìn)行精確的旋轉(zhuǎn)調(diào)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(shí)現(xiàn)超過 95% 的衍射效率。對于短光波長，更容易實(shí)現(xiàn)高衍射效率。

所述對比度被定義為最大和最小的發(fā)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(shù)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(shè)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(yīng)）。這種行波幾何結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)許多兆赫茲的寬調(diào)制帶寬；它最終受到聲波通過光束區(qū)域的單程傳播時間的限制。其他設(shè)備利用聲波在晶體另一端的強(qiáng)反射，對聲波進(jìn)行共振。共振增強(qiáng)可以大大增加調(diào)制強(qiáng)度（或降低所需的聲功率），但會降低調(diào)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(jié)晶石英和熔融石英；一種還使用硫?qū)倩锊ＡВㄍǔＪ庆菔ＡВ⒘谆熀玩N——后兩種用于紅外應(yīng)用。對于高頻信號處理設(shè)備，可以使用鈮酸鋰和磷化鎵等材料。選擇材料有多種標(biāo)準(zhǔn)，包括彈光系數(shù)（實(shí)際上有不同的聲光優(yōu)值）、聲衰減系數(shù)、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(xué) AOM

盡管大多數(shù) 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(zhǔn)直，然后通過調(diào)制器晶體發(fā)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(diào)制器的集成光學(xué)器件。這是可能的，例如，使用鈮酸鋰 (LiNbO 3 )上的集成光學(xué)器件，因?yàn)檫@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(chǎn)生表面聲波。這種設(shè)備可以以多種方式使用，例如用作可調(diào)光濾波器或光開關(guān)。

AOM 的射頻驅(qū)動器

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

所需的射頻驅(qū)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(shí)現(xiàn)高衍射效率。

聲光調(diào)制器的重要特性

為某些應(yīng)用選擇聲光調(diào)制器時，各個方面可能是必不可少的：

• 該材料應(yīng)在相關(guān)波長下具有高透明度，并且應(yīng)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(guān)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(shù)的聲光材料，它較低。

• 根據(jù)器件設(shè)計，衍射效率可能與偏振有關(guān)。

• 對于Q 開關(guān)和鎖模等腔內(nèi)激光應(yīng)用，尤其是高功率應(yīng)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(yīng)用，色散和光學(xué)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?yàn)樾枰喟嘿F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(yīng)用（例如調(diào)Q和特別關(guān)鍵的傾腔）。它受到聲光介質(zhì)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(diào)制器，但是由于光束發(fā)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(xué)驅(qū)動功率。對于有效的線性響應(yīng)，需要對驅(qū)動信號進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)失真。

對于聲光頻移和聲光偏轉(zhuǎn)器，其它方面可以發(fā)揮作用。例如，低聲速有利于實(shí)現(xiàn)寬范圍的波束角。

由于各種權(quán)衡，在不同的應(yīng)用中使用完全不同的材料和操作參數(shù)。例如，具有最高衍射效率的材料并不是具有最高光學(xué)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(qū)動功率，同時也增加了受聲傳遞時間限制的開關(guān)時間。對于快速聲光光束掃描儀，實(shí)現(xiàn)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(yīng)用

聲光調(diào)制器有許多應(yīng)用：

• 它們用于調(diào)Q的固體激光器。AOM，稱為Q 開關(guān)，然后用于在產(chǎn)生脈沖之前阻擋激光諧振腔。在大多數(shù)情況下，在激光條件下使用零級（未衍射）光束，并且在應(yīng)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(tài)激光器的腔傾倒，產(chǎn)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(diào)制器可以以其他方式是必需的。

• 有源鎖模通常使用 AOM 來執(zhí)行，以在往返頻率或其倍數(shù)處調(diào)制諧振器損耗。

• AOM可以用作脈沖拾取器用于減小脈沖重復(fù)率一個的脈沖串，以允許脈沖到高的后續(xù)擴(kuò)增，例如脈沖能量。

• 在激光打印機(jī)和其他設(shè)備中，AOM 可用于調(diào)制激光束的功率。調(diào)制可以是連續(xù)的或數(shù)字的（開/關(guān)）。

• 在噪聲衰減器設(shè)備中，衍射損耗可以通過反饋電路來控制，使得傳輸?shù)墓β示哂懈袘?yīng)強(qiáng)度噪聲。

• AOM 可用作某些激光通信系統(tǒng)中的外部調(diào)制器。
  

G&H聲光調(diào)制器

聲光調(diào)制器 (AOM) 允許以遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過機(jī)械快門的速率控制和調(diào)制光強(qiáng)度，甚至高達(dá) 70 MHz。我們的調(diào)制器針對低散射和高激光損傷閾值進(jìn)行了優(yōu)化。需要了解應(yīng)用的上升時間、調(diào)制速率、光束直徑和功率處理需求，以便確定最佳聲光調(diào)制器和射頻驅(qū)動器解決方案。

聲光調(diào)制器 (AOM) 使用晶體內(nèi)的聲波來創(chuàng)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(diào)制器可以像快門一樣使用（以設(shè)定頻率循環(huán)打開和關(guān)閉光），或用作可變衰減器（動態(tài)控制透射光的強(qiáng)度）。

選擇調(diào)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(diào)制器設(shè)計和 RF 驅(qū)動器的選擇。調(diào)制器的速度由上升時間描述，上升時間決定了調(diào)制器對應(yīng)用的射頻驅(qū)動器的響應(yīng)速度，并限制了調(diào)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(diào)制器內(nèi)光束直徑的影響。

聲光調(diào)制器

調(diào)制器在速度方面分為兩大類。非?？斓恼{(diào)制器可以提供高達(dá) ~70 MHz 的調(diào)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(diào)制器中才能達(dá)到這個速度。然而，低頻調(diào)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(diào)制器和射頻驅(qū)動器時還會考慮其他選擇標(biāo)準(zhǔn)：

• 工作波長

• 光功率

• 所需的調(diào)制類型（模擬或數(shù)字）

• 光束直徑

• 所需的對比度

• 光偏振

大多數(shù)應(yīng)用需要調(diào)制器“開”和“關(guān)”狀態(tài)之間的高對比度，因此使用一階衍射光束。這會導(dǎo)致消光比達(dá)到 40 dB 或更高，但會導(dǎo)致偏轉(zhuǎn)光束的吞吐量降低（通常為 85-90%）。在某些應(yīng)用中，例如強(qiáng)度調(diào)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(chǎn)生 > 99% 的光通量。

G&H FIBER-Q ?光纖耦合調(diào)制器 (FC-AOM)

光纖耦合聲光調(diào)制器 (FCAOM) 為光纖激光器的幅度調(diào)制提供了一種優(yōu)雅而強(qiáng)大的解決方案，允許直接控制激光器輸出的時間、強(qiáng)度和時間形狀。我們的 Fiber-Q ?調(diào)制器在調(diào)制頻率高達(dá) 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(wěn)定性。Fiber-Q ?系列產(chǎn)品專為可靠性而打造，采用堅(jiān)固的密封設(shè)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(tǒng)中，包括醫(yī)療激光系統(tǒng)。

每個 Fiber-Q ?聲光調(diào)制器都需要一個RF 驅(qū)動器來生成 RF 信號，從而在嵌入式 AO 晶體內(nèi)產(chǎn)生聲波。通過 Fiber-Q 的光束調(diào)制將取決于施加的 RF 信號的頻率和強(qiáng)度。

光纖耦合聲光調(diào)制器 (FCAOM) 最初由 G&H 開發(fā)，用于調(diào)制光纖中包含的光強(qiáng)度，而無需斷開光纖以安裝自由空間聲光調(diào)制器 (AOM)。傳統(tǒng)上，光纖激光器的調(diào)制是使用主振蕩器功率放大器 (MOPA) 實(shí)現(xiàn)的。MOPA 限制了可以產(chǎn)生的脈沖形狀，并且需要一個單獨(dú)的半導(dǎo)體種子激光系統(tǒng)。光纖聲光調(diào)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(diào)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(yīng)的副產(chǎn)品，通過光纖耦合調(diào)制器的一階衍射模式的光也會經(jīng)歷頻移和光束偏轉(zhuǎn)。這使得我們的 Fiber-Q ?產(chǎn)品不僅可以用于調(diào)制，還可以用于激光以外的應(yīng)用，例如光外差干涉測量。最近增加的visible Fiber-Q ?產(chǎn)品還將在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用（如顯微鏡和流式細(xì)胞術(shù)）中實(shí)現(xiàn)更緊湊的全纖維儀器設(shè)計。

非密封光纖耦合聲光調(diào)制器

今天，G&H 提供一系列光纖聲光調(diào)制器，專為低插入損耗、高消光比和出色的回波損耗而設(shè)計。Fiber-Q ?系列的典型光學(xué)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(shè)計方面的專業(yè)知識來創(chuàng)建一系列高度可靠的光纖調(diào)制器，調(diào)整我們的工藝和設(shè)計以應(yīng)對高光功率和精確光纖對準(zhǔn)的挑戰(zhàn)。我們在內(nèi)部培育自己的二氧化碲 (TeO 2 ) 晶體、拋光和執(zhí)行制造的所有階段，以在整個制造過程中實(shí)現(xiàn)低散射和嚴(yán)格的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。這確保了始終如一的高可靠性、高激光損傷閾值和高光學(xué)性能。

保偏光纖 Q 偏振保持 1550 nm 密封光纖耦合聲光調(diào)制器

G&H 在光纖耦合調(diào)制器的開發(fā)方面繼續(xù)引領(lǐng)市場，提供首批用于 397 nm 至 780 nm 可見波長的設(shè)備，以滿足傳感和量子技術(shù)應(yīng)用的需求。我們的快速切換率 Fiber-Q ?設(shè)備能夠?yàn)槿饫w激光系統(tǒng)在紅外波長處進(jìn)行高效、高速的光脈沖拾取。大多數(shù)設(shè)備還提供 3 端口配置。

除了我們的 Fiber-Q ?調(diào)制器標(biāo)準(zhǔn)系列，我們還根據(jù) OEM 需求進(jìn)行定制、設(shè)計和批量生產(chǎn)。此外，我們的技術(shù)支持團(tuán)隊(duì)與我們的客戶合作，為應(yīng)用確定最佳射頻驅(qū)動器，同時考慮所需的調(diào)制類型（數(shù)字或模擬）以及任何特定的脈沖整形需求。