激光调制

声光调制技术

摘要：

声波调制的研究历史，以及应用，结构原理，应用已经最新的发展状况。声波是一

种弹性波，在介质中传播时，它使介质产生相应的弹性形变，从而激起介质中各介质

点沿声波的传播方向振动，引起介质的密度呈疏密相间的交替变化，因此，介质的折

射率页随着发生相应的周期变化。按照声波频率的高低以及声波和光波作用长度的不

同，声光互作用可以分为拉曼—纳斯衍射和布拉格衍射两种类型。从理论上说，拉曼-

纳斯衍射和布拉格颜色实在改变声光衍射参数时出现的两种极端情况。影响出现两种

衍射情况的主要参数时声波长光束入射角及声光作用距离L。为了给出区

分两种衍射的定量标准，特引入参数G来表征。

当L小且大（G<<1）时，为拉曼-纳斯衍射，而当L大且小（G>>1）

时，为布拉格衍。同时现在声光调制的应用广泛，可以在军事上，医用上，工业上等

等领域。比如电子战，测距。

关键字：

声波拉曼—纳斯衍射布拉格衍射医用军事工业

电子战测距历史背景结构原理应用

最新进展

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一，声光器件的研究历史及现状

早在三十年代，就已发现各向同性介质内的声光互作用现象，这就是众所周

知的“超声光栅”。早在三十年代，就已发现各向同性介质内的声光互作用现象，

这就是众所周知的“超声光栅”。然而，由于声光互作用引起的光的频率和方向的

变化都很小，所以在激光问世以前，它没有多少实用价值，长期以来未受到重视。

激光的问世改变了这种情况。由于激光的单色性和方向性好，亮度高，而且因具

有相干性而使激光束能量可以全部聚焦成衍射限大小的光斑等特性，因此，利用

声光互作用可以快速而有效地控制激光束的频率、方向和强度，大大扩展了激光

的应用范围，从而推动了声光器件的发展。在六十年代中期到七十年代中期，声

光器件的性能迅速地提高，而且无论控制激光束哪方面的特性，所用声光器件的

工作原理、器件结构和制作工艺都是一样的，只要在设计上加以一定考虑，就可

适应各种需要，甚至一个器件同时可起到多种功能。这是其它光电子器件（如光

电器件、机械的光偏转器等）望尘莫及的。因此，进入七十年代后，声光器件的

应用越来越广，在许多场合已取代其它器件，并发展了许多只有声光器件才能完

成的应用。同时，声光器件本身也已开始系列化的生产。七十年代以前的声光器

件发展主要集中在体波声光器件的发展，以上介绍的均为体波声光器件的发展。

在七十年代，由于光波导技术和声表面波技术的进展，发展了利用表面声波和导

光波之间声光互作用的表面波声光器件。因为表面声波和导光波均集中在介质表

面厚度为波长数量级的薄层内，能量非常集中，故表面波声光器件只需很小的驱

动功率；同时，表面波声光器件是用平面工艺制作的，工艺比较简单灵活，很容

易做出结构复杂的换能器，因而可以得到比体波器件更大的带宽。目前，表面波

声光器件的性能已超过体波器件，它在光信号处理方面获得许多应用，在集成光

通讯方面亦可望得到重要应用。声光器件的发展主要有三个方面：首先是声光互

作用理论的发展，其中特别重要的是：1967年发现，在各向异性介

质内，声光互作用应分为正常和反常两大类：正常互作用的几何关系仍可用光栅

（平面光栅或体光栅）衍射来说明，相应的理论可纳入各向同性介质的声光互作

用理论，但反常互作用不能用以往的理论来解释。1976年张以拯（）

利用非线性光学中的参量互作用理论，建立了声光互作用的统一理论，并用动量

（或位相）匹配和失配等进行讨论，从而对声光互作用有了更进一步的认识；林

耕华（）阐述了表面声波和导光波之间声光互作用的理论形式。

其次是高性能声光互作用材料的开发，在可见光和近红外范围内，最著名的是钼

酸铅和氧化碲晶体。最后是工作在100MHz或更高频率的体波和表面波压电换能

器理论和工艺的发展。正是由于这些理论、材料和工艺上的发展奠定了声光器件

进入实用阶段的基础。

二，声光器件的应用

采用声光互作用原理制成的声光器件具有体积小,重量轻,驱动功率小,衍射效率

高,调制度深,长期稳定性好,时间带积大,易于与计算机兼容和自动化控制等特点，

因此它在军事和民用的各个[以声光器件为核心的声光信号处理技术的关键技术是

声光信号频谱分析技术和声光信号相关处理技术。声光频谱分析仪是新一代的雷达

接收机，它能接收多种形式的信号，能接收多个同时到达的信号，截获概率接近100%，

以及有很宽的频率覆盖域。所以它能满足战场上对实时信号处理的要求。声光相关

器是实现信号相关的声光器件，它具有大带宽、大容量、高处理增益和实时并行处

理等特点，常用于提取淹没在噪声中的微弱信号。

1，电子战

用于监视电磁频谱环境的无源电子战系统通过测量单脉冲来获得所有信号

的振幅、频率、方位、到达时间、脉冲宽度等信息。这些操作需要对所有被截获的发

射机进行分离、识别和定位。这些信息对雷达告警接收机、信号情报、电子情报和电

磁干扰控制系统是必须的。对于这些应用，声光（AO）系统的宽带和线性特性特别具

有吸引力。

当需要到达方向（DOA）信息时，搜索问题是很复杂的。这一般需要方向性天线来

提供所需的天线增益。当采用晶体视频测向技术时，瞬时频率监测系统能够提供所需

的频率分辨率。然而，它不能瞬时处理多个同时到达的信号。因此，这种系统对于高

密度的信号环境没有什么吸引力。相反，声光器件的大带宽特性使信号的截获概率达

到100%成为可能，并且在单脉冲的基础上能够对信号进行分类。此外，声光系统的线

性特性使提取瞬时重叠信号成为可能。在高密度信号环境中以及当前的宽带雷达中，

对于一些基本的特征，如灵敏度和需要处理的信号频率数量依赖于具体的实际应用。

2、测距

当雷达发射出的信号fT(t)f(t)从目标返回，接收信号将是参考信号的时间

延迟，即fR(t)f(t−D)，其中D2R/c正比于目标的距离R。因此，为了

测量距离，必须确定TOA或者接收信号的时间延迟D。一般情况下都有噪声存在，

这时，采用简单的门限检测法是无法精确fR的，因此需要采用相关检测技术。在这

种系统中，相关峰的位置正比于信号的时间延迟D。为了增强信号能量，一个最简

单的办法是增加脉冲信号宽度。但是同时信号带宽B（脉冲信号宽度的倒数）将降低，

也就是相关峰宽度的增大，将导致精确测量时间延迟D更为困难，即以降低距离分

辨率和测距精度为代价。为了瞬时获得大的时间-带宽积（BT）信号，则需要先进的编

码技术，如采用伪随机码和其他具有此性能的码。采用扩谱雷达正是解决探测距离与

分辨率这一矛盾的最有效的解决办法，而声光信号相关处理技术是扩谱雷达的核心技

术。因此，在扩谱雷达中采用声光信号相关处理技术即可在所有的时间延迟内，都

能获得窄相关峰输出和低旁瓣电平。

在脉冲激光雷达测距技术中，声光Q开关器件起着关键性的作用，其典型应用是YAG

激光谐振器。YAG的振荡输出通常是连续振荡（CW振荡）输出，如果将声光Q开关器件

装入谐振器内，则驱动后激光的一部分发生衍射，这时激光振荡停止。而当经过某一

适当的时间之后，再次使声光Q开获得高输出的脉冲激光。所以，如果使声光Q开关器

件以某一适当的周期进行开关动作，就可产生高输出的脉冲激光串。这种声光Q开关器

件在军事上的具体应用实例为Nd:YAG激光测距机、喇曼移频型激光测距机等。

三，声光调制的原理及结构

声波是一种弹性波，在介质中传播时，它使介质产生相应的弹性形变，从而激起

介质中各介质点沿声波的传播方向振动，引起介质的密度呈疏密相间的交替变化，因

此，介质的折射率页随着发生相应的周期变化。

声波在介质中传播分为行波和驻波两种形式。

1，声光互作用的两种类型

按照声波频率的高低以及声波和光波作用长度的不同，声光互作用可以分为拉曼

—纳斯衍射和布拉格衍射两种类型。

1.拉曼-纳斯衍射

原理：当超声波频率较低，光波平行于声波面入射，声光互作用长度L较短时，

产生拉曼-纳斯衍射。

在声光介质的前表面处入射，入射光波为：

则在处的出射的光波的光场可写成

经过变化，我们可以知道，衍射场强各项取极大值条件

为（m=整数）当和声波波矢确定后，其中某一项为极大时，

其他项的贡献几乎为零，因为当m取不同值时，不同角方向的衍射光取极大值，

确定了各级衍射的方位角

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式中，m表示衍射光的级次。各级衍射光的强度为

综上所述，拉曼-纳斯声光衍射的结果，使光波在远场分为一组衍射光，它们分别对

应于确定的衍射角和衍射强度。

2.布拉格衍射

（1）各向同性介质中的正常布拉格衍射

当声波频率较高，声光作用长度L较大，而且光束与声波波面间以一定的角度斜

入射时，光波在介质中要穿过多个声波面，故介质具有“体光栅”的性质。当入射光与

声波面间家教满足一定条件时，介质内各级衍射光会相互干涉，各高级次衍射光将相

互抵消，只出现0级和+1级（或-1级）衍射光，即产生布拉格衍射。因此如能合理选

择参数，超声场足够强，可使入射光能量几乎全部转移到+1级（或-1级）衍射级上，

从而光束能量可以得到充分利用，因此，利用布拉格衍射效应支撑的声光器件可以获

得较高的效率。

式中称为布拉格角。可见，只有入射角等

于布拉格角时，在声波面上衍射的光波才具有同相位，满足相干加强的条件，得

到衍射极值，上式称为布拉格方程。

（2）布拉格声光衍射的粒子模型

布拉格方程为，

（3）异常布拉格衍射

3.区分拉曼-纳斯衍射和布拉格衍射的定量标准射参数时出现的两种极端情况。影响

出现两种衍射情况的主要参数时声波从理论上说，拉曼-纳斯衍射和布拉格颜色实

,...)2,1,0(sinmm

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在改变声光衍长光束入射角及声光作用距离L。为了给出区分两种衍射的定量标

准，特引入参数G来表征。

当L小且大（G<<1）时，为拉曼-纳斯衍射，而当L大且小（G>>1）时，为

布拉格衍射。

(为布拉格衍射区)

（为拉曼-纳斯衍射区）

为了便于应用，又引入量

则

因此，上面的定量标准可以写为

(为布拉格衍射区)

（为拉曼-纳斯衍射区）

式中，程为声光器件的特征长度。

四，参考文献

[1]徐介平．声光器件的原理、设计和应用．北京：科学出版社，1982年12月

[2]邵定蓉，声光相关技术在电子战中的应用，北京航空航天大学学报，1990（1），p77-80

[3]程乃平．Bragg声光器件在现代军事领域的应用．遥测遥控，1999，20（2）

[4]蒋跃，张颖．声光技术在雷达上的主要应用．光学技术，2002，28（1）

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