声光与电光技术的应用

声光与电光技术的应用徐键北京工业大学应用数理学院030611班指导教师：俞宽新摘要声光效应和电光效应是两个非线性光学效应，在激光技术中占有非常重要的地位，它们可以实现激光束的调制和偏转，在许多领域中有广泛的应用。本文就声光技术和电光技术在光信号处理、光计算、光通信、激光脉冲技术、激光测距离技术等领域中的点滴应用做一综述。关键词：声光技术、电光技术一、声光技术的应用1、声光技术在信号处理中的应用随着微电子技术的发展，要求信号处理系统具有实时并行处理的能力。数字信号处理技术虽然发展迅速，但在实现并行处理方面也受到一定的局限性。而唯有光学系统具有高度的并行处理能力和特有的宽带性能。因此本质上就具有并行处理能力的光学和具有高效率换能器的结合——声光器件就显示出了巨大的优势，声光器件能够在高密度的信号环境中实现多通道瞬时并行快速处理，并越来越多地应用的军事领域，如敌方信号的无源拦截与分析，雷达信号处理，扩频通信和数据传输等领域。声光信号在信号处理中的应用分为两大类，即在频域和时域中的应用。声光信号处理在频域领域通过频谱分析和傅立叶变换来实现。在时域里通过信号的卷积和相关来实现。2、声光技术在光计算领域的应用早在上一世纪60年代，人们就开展了光计算的探索研究。由于受到科学技术发展水平的制约，在研究光计算元器件方面并没有明显的进展。随着模拟声光信号处理的成功，以及声光器件本身的并行处理能力，同时还具有大的时间带宽积等特点，因此利用声光器件就有可能实现对信号的并行快速处理能力。因此适合用于各种声光代数处理器，以及各种新型声光逻辑元件。由于声光布拉格衍射光的强度为输入光强度与衍射效率之积，因此可以利用声光器件实现乘法运算。把其中的一个乘数的电信号加入到声光压电换能器上，于是在声光介质中就会产生一个可动的声学衍射光栅，其衍射效率正比于驱动信号强度，而代表另一乘数的电信号则用来调制光源，则光源输出光强度正比于该乘数。当光束按布拉格角入射到声光池时，就与声光发生互作用，产生衍射光。此衍射光的强度正比于入射光强度与衍射效率之积，因此它代表了了个乘数之积。若采用多路声光器件和多路激光输入，则可同时完成多路乘法，因此，利用声光布拉格池作为信号处理器，在本质上具有并行处理和流水线的特点，具有高速并行处理能力。其缺点是输出的可分辨点数受到声光布拉格池的时间带宽积的限制。利用声光布拉格池可以实现矩阵-矢量乘法，矩阵-矩阵乘法，三重矩阵积，求矩阵本征值等基本代数运算。可以用来求解线性方程组和微分方程等。人们已经提出了各种不同的代数处理器，如：①单换能器声光矩阵乘法器②多换能器声光矩阵乘法器。③数字声光精密矩阵乘法器。④系数声光乘法器⑤用于求解线性代数方程组的并行声光脉动处理器⑥用于求解三角线性代数方程组的并行声光脉动处理器。3、声光技术在军事领域的应用声光器件在军事上也有广泛应用，利用声光技术制作的雷达波谱分析器，可以使外来的雷达信号与本机内半导体激光器产生的振荡信号经混频，放大后，驱动声光调制器，产生超声波，当外来信号变化时，超声波长也变化，衍射光的角度也变化，反映在二极管列阵上，从而识别敌方雷达信号。同时，各种新型结构的声光器件，如时间积分以及混合时间、空间、频率多路复用的声光相关器的出现，大大拓展了声光相关器的能力及灵活性。4、声光技术在其他领域的应用随着激光技术、光通信技术、光学传感等利用激光技术进行测量技术的飞速发展，声光器件在上述领域的应用越来越广泛。声光器件在激光领域的应用主要是利用声光作用对激光束的调制和偏转控制来实现激光束的快扫描。声光器件具有无机械振动，高速和寿命长的特点，缺点是没有电光器件调制速度快。但声光器件具有温度稳定性高，消光比大等优点。因此声光器件广泛应用于激光记录，测量和显示等领域。如激光大屏幕显示，激光传真，激光打印等，此外在激光技术中还利用声光器件调Q，锁模作用来实现激光的调Q及锁模，以获得高功率的超短脉冲。在光通讯和光纤传感技术中，主要利用声光器件的移频作用实现相干光通讯和干涉性光纤传感，是光线陀螺等高灵敏度，高精度光纤传感器中的关键器件。其突出的优点是把声光互作用和光纤相结合，做成光纤声光器件。近年来，声光器件以其性能优越、品种繁多，逐步形成是具有突出特点的新型光电子器件。其中，声光调制器、Q开关、锁模器、移频器、偏转器、可调滤光器、超声流量计等在不同领域得到快速发展和广泛应用。其中根据报道，四川压电与声光技术研究所开发的利用声光技术的新型激光精密照排机，使照排速度更快，照排精度更高，操作功能更强，在印刷排版业有良好的应用前景。二、电光技术的应用利用电光效应对光束进行调制的过程称为电光调制，电光调制技术的在二十世纪六十年代，人们已经利用电光效应进行光束调制和偏转[25-36]，现以在光扫描、光存储、光显示等领域中有广泛的应用[37]。1、电光调制在光通信中的应用通信系统是将用户的信息(例如语言、图像和数据等)利用电光调制到载送信息的载波上，然后经传播介质将载有信息的载波传送到接收方，接收方再用解调的手段，从载有信息的载波中将接收方所需的用户信息取出[38]。光通信是以光作为载波，以大气或光纤作为传输介质，通过调制使用户信息加载于光波上，接收方由光接收器鉴别并还原成原来的信息。同声光调制一样，电光调制属于外调制。激光器发射出去的光束是一种不载有任何信息的连续光波，这种光波经过电光调制器，可以使一个随时间变化的电信号转换成光信号，经大气或光纤传至光接收机。由于外调制方法不需要使用半导体器件组成的驱动电路，其调制速率不受器件工作速率的限制，因此，调制速率比内调制的调制速率要高出一个数量级，对光源的影响也小。而且采用外调制方法有利于使用集成光路技术制造集成光发射机，在未来的高速率、大容量的光纤通信中具有广阔的发展前景。电光调制方法的优点在于：时间响应快，反应灵敏，可做高速电光开关；除光源和电源外，其它部分可集中装在一个小盒里，尺寸较小。但工作电压过大，对器件性能参数要求较高，在一定程度上限制了它的应用范围。2、电光调制在激光调Q中的应用激光调Q是将激光能量压缩到宽度极窄的脉冲中发射，从而使光源的峰值功率可提高几个量级。这种强的相干辐射光与物质相互作用，会产生一系列具有重大意义的新现象和新技术，是进行科学研究以及激光测距、激光雷达、高速全息照相等应用技术的重要光源[39]。利用晶体的电光效应，可以做成电光Q开关调制器，其工作过程为：YAG晶体在氙灯的光泵下发射自然光，通过偏振器后，变成沿X方向的线偏振光，若电光晶体上未加调制电压，光沿轴线方向(光轴)通过晶体，其偏振状态不发生变化，经全反射镜反射后，再次通过调制晶体和偏振器。电光Q开关处于“打开”状态。如果在调制晶体上施加π/4电压，由于电光效应，沿X方向的线偏振光通过调制晶体后，两分量之间便产生π/2的相位差，经全反射镜反射再次通过调制晶体，又会产生π/2的相位差，往返一次共产生π相位差，合成后得到沿Y方向的线偏振光，无法通过偏振器，电光Q关处于“关闭”状态。因此，如果在氙灯刚开始点燃时，事先在调制晶体上加上λ/4电压，使谐振腔处于“关闭”的低Q值状态，阻断激光振荡的形成。等到激光上能级反转的粒子数累积到最大值时，突然撤掉晶体上的λ/4电压，使激光器瞬间处于高Q值状态，产生雪崩式的激光振荡，就获得峰值功率极高的巨脉冲激光输出。电光调Q具有开关时间短(约10-9s)，效率高，调Q时刻可以精确控制，输出脉冲宽度窄(10～20ns)，峰值功率高(几十MW以上)等优点，是目前应用较广的一种调Q技术。3、电光调制在激光测距中的应用常用的激光测距可分为连续波激光测距和脉冲激光测距两种。He-Ne激光器发出的连续光，经过电光调制器，其光强度受到调制，它的两个峰值之间的间隔，正好是电振荡的半个波长。调制光射向设置有反射镜的目标，反射回来的光被专门的接收器所接收，测出在此路程中有多少个半波长及其余数，即可得出目标的距离。脉冲激光测距则是利用经过电光调Q的激光器对目标发射一个或一系列很窄的光脉冲，测量光脉冲到达目标再由目标返回接收机的时间，由此计算出目标的距离[40]。连续波激光测距发射功率低，测距大多数用于合作目标。脉冲激光测距发射功率高，测距能力强，精度高，目前军用的大部分都是脉冲激光测距仪。主要用于地形测量、战场前沿测距，坦克及火炮的测距，测量云层、飞机、导弹以及人造卫星的高度等。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]DeCusatis,C;Das,P.;Litynski,D.M.，Acousto-electro-opticphasegratingsforopticalsignalprocessingapplications，AppliedOptics,vol30(5).1991,583-96[3]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[4]倪新蕾，电光调制及其应用，中山大学学报论丛，2002，Vol.22（1），p34-36[5]赵梓森.光纤通信工程[M].北京:人民邮电出版社,1999.[6]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）[7]蒋跃，张颖．声光技术在雷达上的主要应用．光学技术，2002，28（1）