声光频移器

声光频移器 (AOFS) 是一种光学设备，通过利用光与声波在晶体中的相互作用来改变激光束的频率。频率的变化是由于多普勒效应，当光与由声波形成的移动折射率光栅相互作用时，发生了频率偏移。这个光栅是由声波在介质中传播而产生的，周期性地改变其折射率。

多普勒效应的产生是因为折射率光栅以声速在介质中移动。当光与这个移动的光栅相互作用时，其频率根据光栅运动相对于光的方向而发生变化。与光相反方向移动的光栅会增加频率（上移），而同方向移动则会降低频率（下移）。频率的偏移等于声波的频率，使光的调制精确可控。这项技术广泛应用于激光调制、干涉仪和信号处理等领域，特别是在需要高精度的场合。

工作原理

声光频移器的工作原理是基于在包含移动折射率光栅的介质中进行光的衍射。这个光栅是通过声波在晶体介质中传播生成的。光与动态折射率之间的相互作用导致衍射光束的频率发生变化，其增加或减少的频率量等于声波的频率。

AOFS的功能依赖于两个相互关联的现象：声波的生成和光的衍射。

• 声波生成：声波是通过附着在晶体表面的压电换能器生成的。当将射频（RF）信号施加到换能器上时，会在晶体内引起机械振动，从而产生声波。这些波在材料中传播，产生交替的压缩和稀疏区域。这些周期性的密度变化以空间周期模式改变材料的折射率，形成一个移动的折射率光栅。
• 光的衍射与频率偏移：当激光束进入晶体时，它与折射率光栅相互作用。在布拉格衍射条件下，部分光会被衍射。衍射光的频率根据折射率光栅的相对运动而变化。频率偏移Δν由以下公式给出：

其中：

     ν_a 是声波频率。

    v 是声波在晶体中的传播速度。

    λ 是入射光的波长。

    ±符号表示频率偏移的正负。

这一机制使得激光束的频率能够被精确控制。

AOFS的组成部分

• 压电换能器：该组件将施加的射频信号转换为机械振动。常用的材料如石英或铅锆钛酸盐，因其高压电效率而受到青睐。
• 声光晶体：晶体作为声学与光学相互作用的介质。二氧化钽（TeO₂）和硅石因其优良的光学和声学特性而常被选用。
• 射频驱动器：射频驱动器提供控制换能器的电信号。它可以在固定或可变频率下工作。驱动器可以包括：
  • 电压控制振荡器 (VCO)：允许对驱动频率进行模拟控制。
  • 数字驱动器：为要求高精度和稳定性的应用提供服务。
• 光耦合元件：使用准直器和透镜来确保输入的激光束在晶体中正确对齐和聚焦，从而优化衍射效率。

高级配置

• 级联AOFS：对于更大的频率偏移或精确的小偏移（例如，几MHz），可以依次使用多个AOFS设备。
• 双通道配置：在双通道安排中，光线通过AOFS两次，有效地将频率偏移加倍。此配置用于在保持紧凑布局的同时实现更高的频率偏移。
• 光纤耦合AOFS：紧凑的光纤引出AOFS无缝集成到光纤系统中，其中光被准直、调制并重新聚焦到输出光纤中。虽然全光纤AOFS较少见，但能够直接在光纤介质中实现频率偏移。

声光频移器的应用

工业应用

• 振动测量：AOFS设备用于激光多普勒振动计，以高灵敏度测量表面振动。AOFS引入的频率偏移允许清晰区分运动方向。
• 过程控制：AOFS技术用于控制工业系统中激光束参数，以实现精密监控和自动化。
• 脉冲选择：通过调制声波，AOFS可以选择性地偏移特定的激光脉冲，从而实现光学系统中的高级时序控制。

科学应用

• 光学异频信号：AOFS在创建异频信号中至关重要，这对于测量光学计量中的相位和频率变化是必不可少的。
• 干涉仪：通过在干涉仪的一条臂中偏移频率，AOFS提高了位移、折射率和长度的测量分辨率。
• 光谱学：AOFS使得在不需要可调激光器的情况下对窄范围内进行频率扫描，从而提高光谱分辨率并降低噪声。