声光调制器的工作原理及作光开关使用时的实验效果

本文首先介绍了激光器的起源、种类和应用，进而介绍了声光调制器（Acousto-Optic Modulator， AOM）的工作原理，并展示了AOM作为光开关使用时的实验效果。

1960年，西奥多·梅曼（Theodore Maiman）成功地发明了第一个实用的激光器——红宝石激光器。梅曼使用了人工合成的红宝石晶体作为增益介质，利用闪光灯作为泵浦源，成功激发出具有强烈单色性的红色激光（波长为694.3 nm）。这标志着激光器技术的诞生，梅曼的实验突破了物理学和工程学的限制，被视为激光技术的重要里程碑。

随着技术的进步，激光器逐渐发展出了多种类型，涵盖了不同波长、功率和应用领域。例如：

1. 气体激光器：如氦氖激光器（He-Ne Laser），由于其稳定性和相对低的成本，成为早期最常用的激光器之一，波长为632.8nm（红色光）；

2. 半导体激光器：1962年，尼古拉斯·霍洛尼亚（Nick Holonyak）发明了第一个可见光半导体激光器，开启了激光器在通信、激光打印、光盘存储等领域的广泛应用；

3. 固体激光器：如钇铝石榴石激光器（YAG激光器），这类激光器使用掺铈的宝石或晶体作为增益介质，广泛应用于激光切割、焊接等工业领域。

之后随着激光器技术的成熟，激光器的应用逐渐从科学研究扩展到军事、工业和医学等领域：

1. 军事应用：激光器被用于导弹瞄准、激光制导武器等领域；

2. 工业应用：激光切割、激光焊接等技术开始进入工业生产线；

3. 医疗应用：激光手术技术开始用于眼科、皮肤科等医学领域。

激光器技术发展到现在，已经相当成熟，但激光器在应用的时候需要稳定的功率输出，所以一些激光器都需要开启一段时间后才能正常使用。对于某些应用来说，激光不能一直照射在目标上，为了保持激光器稳定的功率输出，又不能直接关闭激光器，就需要引入一个额外的光开关来对激光进行控制。

图二 常见声光调制器（AOM）作为光开关光路示意图

声光调制器（Acousto-Optic Modulator， AOM）是一种通过声波调制光波特性（如光强、频率、偏振等）的光学器件。它利用了声光效应，即声波在透明介质中传播时，改变了该介质的折射率，从而影响通过该介质的光波。

如图二所示，激光经过AOM调制之后会有两个级次，其中0级光需要经过多个反射镜，用以吸收能量；一级光则出射进入光路。

当声波在光学介质中传播时，会在介质中产生周期性的折射率变化。形成类似于光栅的光学元件。声光效应主要有两种：

1. 布拉格衍射（Bragg Diffraction）：这是在声光调制器中最常见的衍射模式。光的传播方向与声波的传播方向呈某一特定夹角，此时AOM相当于立体光栅，衍射光能量基本都分布在一级，基本没有其他级次。

2. 拉曼衍射（Raman Diffraction）：与布拉格衍射不同，拉曼衍射光的传播方向与声波的传播方向垂直，此时AOM相当于平面光栅，衍射出来的光会出现多级对称分布。

图三 布拉格衍射和拉曼衍射对比

一般光开关常用布拉格衍射，当AOM加载信号时，衍射出一级光供使用，当不需要激光时，AOM不加载信号，此时只存在0级光，被吸收。下图为锐光凯奇使用AOM搭建的光开关示意装置：

图四 AOM工作时与不工作时对比

图上我们可以看到，当AOM不工作时，激光直接透过；当AOM工作时，会衍射出与原本光线呈一定夹角的一级光。当我们频繁的切换在AOM上是否加载信号时，就可以对出射光进行调试。

拓展：AOM还可以使用两个级次的光干涉，从而得到一个光拍信号，用这个信号可以进行一系列的测量。