声光移频器的特性

声光移频器是利用声光互作用来获得光的移频，声光移频器的主要特性参量有三个:一级衍射效率、移频带宽、移频精度或频率稳定度。为了提高声光移频器输出光的衍射效率和移频带宽，声光器件必须工作在布拉格衍射模式;提高压电换能器带宽，采取超声跟踪以提高布拉格带宽和解决带宽阻抗匹配技术。声光移频器的移频量和移频精度主要由驱动电功率信号决定，声光器件本身对频率基本没有影响，所以为保证声光移频器的移频精度或频率稳定度，驱动源必须采用高稳定度的晶体振荡器或高稳定性的功率信号源。

声光器件由于受晶体材料尺寸限制，移频量通常在几十兆赫以上。在实际使用中，特别是在外差检测系统中，有时要求激光的移频量很小，往往只有几兆赫甚至更低，使用单个声光移频器无法满足，通常要用到两个声光移频器分别对两路光进行移频，两个声光移频器的工作频率相差很小，这样可以实现外差检测的需要。

激光通过声光介质被超声光栅衍射时，其传播方向和频率都将发生变化 。衍射光的频率在原输入激光频率上叠加了一个超声频率，这就是声光移频。光频的改变量等于外加射频功率信号的频率。输出光取正一级衍射光时，输出光的频率为原激光频率加电信号频率，当输出光取负一级衍射光时，输出光的频率为原激光频率减电信号频率。改变输入电信号的频率，就可以控制输出光的移频量。声光移频器因为在实际使用中要求输出光的功率尽可能高，所以声光移频器一般工作在布拉格衍射模式，如图1-1所示 。

声光移频器的移频量和移频精度主要由射频功率信号决定，只要能保证射频功率信号的稳定度，移频精度可以达到很高，受环境温度的影响也很小，改变外加电信号可以很方便地任意控制移频，使用非常方便，已广泛应用于外差检测、测速、光纤陀螺等领域

激光多普勒测速仪由激光器、声光移频器、光学系统、光学接收系统、信号和数据处理系统等组成。图1-2 是一个典型的激光多普勒测速仪工作框图。

激光多普勒测速仪的原理是根据多普勒现象，光照射运动中的物体，被运动物体散射的光将发射频率漂移，相对移频量由运动物体的速度在散射方向的分量决定。将散射光和发射的激光进行差拍，测定拍移量即可测定物体的运动速度。但激光的频率极高，物体的运动速度很快时，其移频也很大，要想接收并测定这么高的拍频率是很困难的，因而测速范围窄，精度低。利用声光移频器可以很容易解决这个问题。从单模稳频激光器发出的激光束先分出一部分激光经过声光移频器，由于激光通过声光器件与超声波相互作用后，其衍射光的频率将是激光的频率与超声波频率的叠加，因此衍射光具有与超声波相同频率的移频量。未通过声光器件的另一部分激光照射运动物体，散射光发生多普勒移频后再与衍射光进行差拍，就可以大幅度降低拍频，甚至可以实现零拍，可以很方便地通过测定加在声光移频器上的电信号频率来测定多普勒频移量，从而极大地扩大了激光测速仪的测速范围和测量精度 。

光导纤维的直径不均匀时，导光膜将被散射，导致光纤的损耗急剧增大，因而在光纤生产中必须进行等径控制，利用声光移频器可以实现光纤生产的等径控制自动化。其装置如图1-3所示 。声光移频器对激光产生衍射后的零级光和一级衍射光由透镜系统会聚在光纤所在区域，形成干涉条纹，改变透镜的焦距或透镜的位置可以改变会聚角，从而可以使干涉条纹的间距恰好等于所要保持的光线直径。由于入射光和一级衍射光之间有频率差异，因而干涉条纹是移动的，容易证明，移动频率(指单位时间内有多少对亮暗纹移过某点)即为超声频率。当光线直径恰好等于干涉条纹间距时，虽然干涉条纹是移动的，但从光纤散射出来的总散射光强是不随时间改变的，即只有直流成分;而当光纤直径偏离干涉条纹间距时从光纤散射出来的光强将出现交流成分，直径偏差愈大，交流成分的幅度也愈大，但交流成分的频率总是与超声相同的频率。用光电接收器接收散射光并转换为电信号，经选频放大器后输入自动控制系统，即可实现光纤直径的自动控制。

相干合成的技术方案按是否通过外界手段来干预探测并校正相位误差可分为主动式的闭环有源相位控制和被动式的自组织锁相运行激光器阵列两大类

闭环有源相位控制

闭环有源相位控制方案一般采用MOPA 结构, 它是一种主动式的有源相位校正技术, 一般主要由种子源或称主振荡器、声光移频器、1 x N 的光纤藕合器、

光纤功率放大器、光电探测器和相位调制器等器件组成, 中间还需要一系列的准直、对齐和分光组件, 如透镜、分束器等. 其基本原理是主振荡器的输出激光被分为多束, 引出其中一束经声光移频器后作为参考光波, 其余各束进行功率放大, 利用外差法探测各光纤功率放大器的输出光波与参考光波的相位差, 根据所探测的相位差实时控制相位调制器以实现对相位误差的实时校正, 进而达到锁相运行的目的. 方案难度在于实现合成阵列中多路的实时相位检测(传感) 与相位校正比较困难, 随着合成路数的增加, 它将需要的大量高灵敏度的光电探测器和相位调制器以及相应的高速控制电路, 系统将变得复杂且庞大; 另外, 各路合成激光的偏振态不易控制, 目前解决此间题的办法就是采用保偏光纤放大器, 制作大功率的保偏光纤放大器具有相当的难度; 最后, 制作高质量(单频单模单偏振) 的种子源激光器也不是一件易事。2 0 03 年, 美国NorthorpGruan空间实验室采用此方案通过7 束155 W 光纤激光的相干合成获得了1 k w 的总输出功率。国防科技大学采用此方案于2 0 05 年在国内首次实现了3 束光纤激光的相干合成。

自组织锁相运行激光器阵列

自组织锁相运行是一个被动式的无源自调整过程。自组织锁相一般需要形成新的复合腔, 从而引入新的选模机制, 通过阵列中各单元间的相互影响, 能量相互注入藕合, 最终整个阵列以自组织出的公共模运行。通过自组织机理实现锁相的阵列一般需要具有以下特点: 宽增益带宽; 低Q 值;具有共同的本征模. 以自组织机理实现相干合成主要有以下五种表现形式。

增益介质间的倏逝波辐合

对于复合阵列波导, 它可以是半导体激光器阵列、多点抽运固体激光器或多芯光纤等的简化模型, 当各个平行波导之间的距离较近, 各自进入邻近波导倏逝场所在的区域时, 一个波导模的存在会对另一个波导模构成扰动, 原先波导中的本征模式不再相互独立, 而是产生了藕合, 进而形成了一种集体参与振荡的模结构, 这种由于倏逝场藕合在复合阵列波导中产生的本征模又叫超模。

固体激光器

文献中研究了固体激光器通过倏逝波藕合实现锁相运行的过程。二单元的N d: A 激光器通过倏G逝波藕合实现了稳定的相位锁定。当被激发的有源增益介质间的距离小于0 0 1拼时m, 相位锁定被明显地观察到了.阵列单元间的祸合强度可以通过调整泵浦光的位置连续改变, 这使得可以在一个很宽的祸合强度范围内观察相位锁定。作者还指出, 只要藕合强度大到可以确保锁相的发生, 快速的锁相过程将不再依赖于藕合强度的大小。

多芯光纤

多芯双包层光纤(D ou bl e d ad id gn m ul it co er if be r ) 在较大尺寸的内包层中有多个掺纤芯, 每个纤芯的直径、掺杂浓度等均相同, 纤芯间的距离很近, 且均为单模。由于各纤芯内振荡激光倏逝波之间的藕合, 使得各纤芯受激发射的激光相互作用, 达到锁相输出的目的.文献中采用有限元方法计算了多芯光纤(M C )F 中由于倏逝波祸合形成的超模, 以反射镜或光纤布拉格光栅、泰伯腔和准直透镜加高反镜三种通常使用的反馈机制分别作为边界条件, 对7 芯和19 芯光纤运用速率方程理论分析了多芯光纤激光器中的模式竞争和选择机制。对于泰伯外腔和准直透镜加高反镜的情形, 由于衍射藕合使得不同的超模具有不同的反馈系数, 最终系统选择某一占主导地位的锁相超模而运作。

光予晶体多芯光纤

光子晶体光纤( P C )F 又叫微结构光纤或多孔光纤, 它由固态玻璃纤芯和包含大量周期性分布的空气孔的包层组成, 或者是在玻璃基材料上形成低的有效折射率的孔。

文献报道了6 核和7 核结构的光子晶体光纤激光器通过倏逝波藕合实现了稳定的相位锁定。使用多散射方法模拟了单个芯核的模式特性, 在芯核呈环形分布情况下, 运用藕合模理论分析并得到了相位锁定态下的传导模一超模, 利用泰伯外腔进行超模选择获得了一个完全的锁相超模以及1.1 倍的近衍射极限的高质量激光束。该激光器工作在此锁相模下的输出功率为4 W, 相应的斜率效率为70 %。

衍射藕合

利用衍射藕合进行模式选择的外腔可以分为两种: 一是基于近场菲涅耳衍射的泰伯外腔; 二是基于远场夫琅和费衍射的自傅里叶变换腔。两种外腔均可实现激光束的相干合成, 均是被动祸合技术。两者最显著区别是S F 腔具有傅里叶透镜, 该透镜将各单元的光集中反馈到阵列的中心, 窄化了反馈回的基模高斯光束的包络, 减少了反馈光在阵列边缘的溢出, 因而降低了腔损耗, 提高了藕合效率和模式鉴别能力。泰伯腔是将衍射自成像形成的空间光斑反馈回原激光器阵列, 而S F 腔是将激光器阵列的远场光斑反馈回原阵列, 虽然实际情况中我们通常保持远场光斑就是原阵列的像。

近场菲涅耳衍射一泰伯效应

周期性光场分布的衍射自成像称为泰伯效应。当泰伯条件满足时, 周期性光场的振幅分布会在泰伯距离处再现原来的光场振幅分布, 在(半) 泰伯距离处放置一个反射镜可以反馈光有效地藕合进原来的阵列波导。由于一般泰伯腔的长度较短, 而且对腔长的精度有较高的要求。为了方便泰伯腔的调节, 可以增加泰伯腔的长度。考虑到同时满足泰伯条件的要求, 需要增加阵列单元间的距离。