聲光移頻器

激光通過聲光介質被超聲光柵衍射時，其傳播方向和頻率都將發生變化。衍射光的頻率在原輸入激光頻率上疊加了一個超聲頻率，這就是聲光移頻。光頻的改變量等於外加射頻功率信號的頻率。輸出光取正一級衍射光時，輸出光的頻率為原激光頻率加電信號頻率，當輸出光取負一級衍射光時，輸出光的頻率為原激光頻率減電信號頻率。改變輸入電信號的頻率，就可以控制輸出光的移頻量。聲光移頻器因為在實際使用中要求輸出光的功率儘可能高，所以聲光移頻器一般工作在布拉格衍射模式，如圖1-1所示 ^[1]  。

聲光移頻器是利用聲光互作用來獲得光的移頻，聲光移頻器的主要特性參量有三個：一級衍射效率、移頻帶寬、移頻精度或頻率穩定度。為了提高聲光移頻器輸出光的衍射效率和移頻帶寬，聲光器件必須工作在布拉格衍射模式；提高壓電換能器帶寬，採取超聲跟蹤以提高布拉格帶寬和解決帶寬阻抗匹配技術。聲光移頻器的移頻量和移頻精度主要由驅動電功率信號決定，聲光器件本身對頻率基本沒有影響，所以為保證聲光移頻器的移頻精度或頻率穩定度，驅動源必須採用高穩定度的晶體振盪器或高穩定性的功率信號源。

聲光器件由於受晶體材料尺寸限制，移頻量通常在幾十兆赫以上。在實際使用中，特別是在外差檢測系統中，有時要求激光的移頻量很小，往往只有幾兆赫甚至更低，使用單個聲光移頻器無法滿足，通常要用到兩個聲光移頻器分別對兩路光進行移頻，兩個聲光移頻器的工作頻率相差很小，這樣可以實現外差檢測的需要。

聲光移頻器的移頻量和移頻精度主要由射頻功率信號決定，只要能保證射頻功率信號的穩定度，移頻精度可以達到很高，受環境温度的影響也很小，改變外加電信號可以很方便地任意控制移頻，使用非常方便，已廣泛應用於外差檢測、測速、光纖陀螺等領域

激光多普勒測速儀由激光器、聲光移頻器、光學系統、光學接收系統、信號和數據處理系統等組成。圖1-2是一個典型的激光多普勒測速儀工作框圖。

激光多普勒測速儀的原理是根據多普勒現象，光照射運動中的物體，被運動物體散射的光將發射頻率漂移，相對移頻量由運動物體的速度在散射方向的分量決定。將散射光和發射的激光進行差拍，測定拍移量即可測定物體的運動速度。但激光的頻率極高，物體的運動速度很快時，其移頻也很大，要想接收並測定這麼高的拍頻率是很困難的，因而測速範圍窄，精度低。利用聲光移頻器可以很容易解決這個問題。從單模穩頻激光器發出的激光束先分出一部分激光經過聲光移頻器，由於激光通過聲光器件與超聲波相互作用後，其衍射光的頻率將是激光的頻率與超聲波頻率的疊加，因此衍射光具有與超聲波相同頻率的移頻量。未通過聲光器件的另一部分激光照射運動物體，散射光發生多普勒移頻後再與衍射光進行差拍，就可以大幅度降低拍頻，甚至可以實現零拍，可以很方便地通過測定加在聲光移頻器上的電信號頻率來測定多普勒頻移量，從而極大地擴大了激光測速儀的測速範圍和測量精度 ^[1]  。

光導纖維的直徑不均勻時，導光膜將被散射，導致光纖的損耗急劇增大，因而在光纖生產中必須進行等徑控制，利用聲光移頻器可以實現光纖生產的等徑控制自動化。其裝置如圖1-3所示。聲光移頻器對激光產生衍射後的零級光和一級衍射光由透鏡系統會聚在光纖所在區域，形成干涉條紋，改變透鏡的焦距或透鏡的位置可以改變會聚角，從而可以使干涉條紋的間距恰好等於所要保持的光線直徑。由於入射光和一級衍射光之間有頻率差異，因而干涉條紋是移動的，容易證明，移動頻率（指單位時間內有多少對亮暗紋移過某點）即為超聲頻率。當光線直徑恰好等於干涉條紋間距時，雖然干涉條紋是移動的，但從光纖散射出來的總散射光強是不隨時間改變的，即只有直流成分；而當光纖直徑偏離干涉條紋間距時從光纖散射出來的光強將出現交流成分，直徑偏差愈大，交流成分的幅度也愈大，但交流成分的頻率總是與超聲相同的頻率。用光電接收器接收散射光並轉換為電信號，經選頻放大器後輸入自動控制系統，即可實現光纖直徑的自動控制。