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声光调制器——基于声光效应的光调制器

时间:2021-07-08 来源:新特光电 访问量:1076

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)。

通常,AOM 被理解为强度调制器;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)。

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。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

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。

衍射效率和对比度

对于小声功率,衍射效率与声功率成正比;对于更高的功率,它会饱和。对于足够高的声功率,可以衍射超过 50% 的光功率——在极端情况下,甚至可以实现超过 95% 的衍射效率。对于短光波长,更容易实现高衍射效率。

所述对比度被定义为最大和最小的发射功率之比。后者可能受到散射的限制。对于衍射光束,对比度可以非常高(1000 的数量级),但最大透射率则受到衍射效率的限制。非衍射(零级)光束获得了高的最大吞吐量,但在这种情况下,对比度要低得多。

行波和谐振设计

声波可能会在晶体的另一端被吸收(通常以某个角度切割以避免由于残余反射引起的驻波效应)。这种行波几何结构可以实现许多兆赫兹的宽调制带宽;它最终受到声波通过光束区域的单程传播时间的限制。其他设备利用声波在晶体另一端的强反射,对声波进行共振。共振增强可以大大增加调制强度(或降低所需的声功率),但会降低调制带宽。

二手声光材料

声光器件的常用材料有二氧化碲(TeO 2)、结晶石英和熔融石英;一种还使用硫属化物玻璃(通常是燧石玻璃)、磷化铟和锗——后两种用于红外应用。对于高频信号处理设备,可以使用铌酸锂和磷化镓等材料。选择材料有多种标准,包括弹光系数(实际上有不同的声光优值)、声衰减系数、声速、透明度范围、光损伤阈值,以及所需的大小。

光纤耦合和集成光学 AOM

尽管大多数 AOM 是大容量器件,但也有紧凑型光纤耦合版本(光纤尾纤 AOM)。来自输入光纤的光首先被准直,然后通过调制器晶体发送,最后聚焦到输出光纤中。的插入损耗通常是大约3分贝。

也有在芯片上包含一个或多个声光调制器的集成光学器件。这是可能的,例如,使用铌酸锂 (LiNbO 3 )上的集成光学器件,因为这种材料是压电材料,因此可以通过芯片表面上的金属电极产生表面声波。这种设备可以以多种方式使用,例如用作可调光滤波器或光开关。

AOM 的射频驱动器

如果将声光调制器用作调幅器或有源Q 开关,则所使用的电子驱动器通常是一种以固定调制频率但可变幅度工作的设备。幅度通常由模拟输入电压或数字输入信号(用于开/关调制)控制。

所需的射频驱动功率很大(有时几瓦),特别是对于长光波长,通常不够高,无法实现高衍射效率。

声光调制器的重要特性

为某些应用选择声光调制器时,各个方面可能是必不可少的:

  • 该材料应在相关波长下具有高透明度,并且应尽量减少寄生反射,例如使用抗反射涂层。

  • 在许多情况下,高衍射效率很重要。例如,这在将 AOM 用作高增益激光器中的Q 开关时很重要,对于腔倾倒更是如此。所需的射频功率会影响电力需求和冷却问题。对于具有高弹光系数的声光材料,它较低。

  • 根据器件设计,衍射效率可能与偏振有关。

  • 对于Q 开关和锁模等腔内激光应用,尤其是高功率应用,需要具有低寄生吸收的 AOM,可能还有激光脉冲的高损伤阈值。高功率水平通常需要大孔径。对于涉及超短脉冲的应用,色散和光学非线性可能很重要。

  • 输入孔径大小限制了可用的光束半径。用于大光束的 AOM 更昂贵(因为需要更多昂贵的晶体材料),并且暂时它们更慢(见下文)并且需要更多的射频功率。

  • 的切换时间是对于一些应用(例如调Q和特别关键的倾腔)。它受到声光介质中声速的限制。这意味着 AOM 切换大直径激光束必然很慢。人们可以使用直径减小的聚焦激光束来操作这样的调制器,但是由于光束发散度的增加,衍射效率可能会降低。

请注意,衍射效率非线性地取决于声学驱动功率。对于有效的线性响应,需要对驱动信号进行适当的预失真。

对于声光频移和声光偏转器,其它方面可以发挥作用。例如,低声速有利于实现宽范围的波束角。

由于各种权衡,在不同的应用中使用完全不同的材料和操作参数。例如,具有最高衍射效率的材料并不是具有最高光学损伤阈值的材料。大的模式面积可以提高功率处理能力,但需要使用更大的晶体或玻璃片和更高的驱动功率,同时也增加了受声传递时间限制的开关时间。对于快速声光光束扫描仪,实现高像素分辨率需要大模式面积,而高扫描速度需要较小模式面积。

AOM 的应用

声光调制器有许多应用:

  • 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。

G&H声光调制器

声光调制器 (AOM) 允许以远远超过机械快门的速率控制和调制光强度,甚至高达 70 MHz。我们的调制器针对低散射和高激光损伤阈值进行了优化。需要了解应用的上升时间、调制速率、光束直径和功率处理需求,以便确定最佳声光调制器和射频驱动器解决方案。

声光调制器 (AOM) 使用晶体内的声波来创建衍射光栅。随着施加的 RF 信号功率的变化,衍射光的量按比例变化。调制器可以像快门一样使用(以设定频率循环打开和关闭光),或用作可变衰减器(动态控制透射光的强度)。

选择调制器的最重要因素是所需的速度。这会影响要使用的材料、调制器设计和 RF 驱动器的选择。调制器的速度由上升时间描述,上升时间决定了调制器对应用的射频驱动器的响应速度,并限制了调制速率。上升时间与声波穿过光束所需的时间成正比,因此受调制器内光束直径的影响。

声光调制器

声光调制器

调制器在速度方面分为两大类。非常快的调制器可以提供高达 ~70 MHz 的调制频率,并且可以具有低至 4 ns 的上升时间。输入光束必须非常紧密地聚焦到调制器中才能达到这个速度。然而,低频调制器没有这种限制,并且可以接受更大的输入光束。它们的上升时间通常是相对于输入光束直径指定的,单位为 ns/mm。

除了速度之外,我们在确定合适的调制器和射频驱动器时还会考虑其他选择标准:

  • 工作波长

  • 光功率

  • 所需的调制类型(模拟或数字)

  • 光束直径

  • 所需的对比度

  • 光偏振

大多数应用需要调制器“开”和“关”状态之间的高对比度,因此使用一阶衍射光束。这会导致消光比达到 40 dB 或更高,但会导致偏转光束的吞吐量降低(通常为 85-90%)。在某些应用中,例如强度调平,传输更为重要,大约 10 dB 的对比度是可以接受的。这允许使用未衍射的 0 级光束,通常会产生 > 99% 的光通量。

G&H FIBER-Q ®光纤耦合调制器 (FC-AOM)

光纤耦合声光调制器 (FCAOM) 为光纤激光器的幅度调制提供了一种优雅而强大的解决方案,允许直接控制激光器输出的时间、强度和时间形状。我们的 Fiber-Q ®调制器在调制频率高达 80 MHz 的可见光和红外波长下,在保偏 (PM) 和非 PM 格式中提供高消光比、低插入损耗和出色的稳定性。Fiber-Q ®系列产品专为可靠性而打造,采用坚固的密封设计,采用紧凑、薄型封装,非常适合轻松集成到全光纤和 OEM 系统中,包括医疗激光系统。

每个 Fiber-Q ®声光调制器都需要一个RF 驱动器来生成 RF 信号,从而在嵌入式 AO 晶体内产生声波。通过 Fiber-Q 的光束调制将取决于施加的 RF 信号的频率和强度。

光纤耦合声光调制器

光纤耦合声光调制器 (FCAOM) 最初由 G&H 开发,用于调制光纤中包含的光强度,而无需断开光纤以安装自由空间声光调制器 (AOM)。传统上,光纤激光器的调制是使用主振荡器功率放大器 (MOPA) 实现的。MOPA 限制了可以产生的脉冲形状,并且需要一个单独的半导体种子激光系统。光纤声光调制器的直接集成是一种简单得多的方法,除了降低损耗外,还允许光路保持闭合,以获得更好的功率处理和可靠性。

光纤耦合声光调制器 (FCAOM) 可以直接控制光纤激光器有源输出的时间特性,提供更广泛的脉冲形状。作为声光效应的副产品,通过光纤耦合调制器的一阶衍射模式的光也会经历频移和光束偏转。这使得我们的 Fiber-Q ®产品不仅可以用于调制,还可以用于激光以外的应用,例如光外差干涉测量。最近增加的visible Fiber-Q ®产品还将在生物医学应用(如显微镜和流式细胞术)中实现更紧凑的全纤维仪器设计。

非密封光纤耦合 AOM

非密封光纤耦合声光调制器

今天,G&H 提供一系列光纤声光调制器,专为低插入损耗、高消光比和出色的回波损耗而设计。Fiber-Q ®系列的典型光学性能包括:

  • 插入损耗:低至 2 dB,具体取决于型号

  • 消光比:50 dB

  • 回波损耗:40 分贝

  • 偏振消光比:20 dB(保偏型号)

我们利用我们在电信组件设计方面的专业知识来创建一系列高度可靠的光纤调制器,调整我们的工艺和设计以应对高光功率和精确光纤对准的挑战。我们在内部培育自己的二氧化碲 (TeO 2 ) 晶体、抛光和执行制造的所有阶段,以在整个制造过程中实现低散射和严格的质量标准。这确保了始终如一的高可靠性、高激光损伤阈值和高光学性能。

保偏光纤 Q 偏振保持 1550 nm 密封光纤耦合声光调制器

保偏光纤 Q 偏振保持 1550 nm 密封光纤耦合声光调制器

G&H 在光纤耦合调制器的开发方面继续引领市场,提供首批用于 397 nm 至 780 nm 可见波长的设备,以满足传感和量子技术应用的需求。我们的快速切换率 Fiber-Q ®设备能够为全光纤激光系统在红外波长处进行高效、高速的光脉冲拾取。大多数设备还提供 3 端口配置。

除了我们的 Fiber-Q ®调制器标准系列,我们还根据 OEM 需求进行定制、设计和批量生产。此外,我们的技术支持团队与我们的客户合作,为应用确定最佳射频驱动器,同时考虑所需的调制类型(数字或模拟)以及任何特定的脉冲整形需求。

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