声光扫描激光雷达技术

2 声光扫描技术

声光式扫描技术主要利用声光效应来实现光束的偏转，基本原理是在声光介质材料加载一个超声波，通过调节超声波的频率来使得介质内部的折射率发生周期性变化形成类似于光栅的结构，当光通过该介质时受到衍射作用，通过改变超声波的频率即可改变衍射光的出射方向，从而实现声光光束偏转。一直以来，声光式扫描技术经常被尝试应用于各种场合。

2.1 声光效应

波是一种纵向应力波，在介质中传播时，会使该介质的弹性应变发生改变，引发介质密度交替变化，导致介质的折射率也随之变化。这时，超声波的作用等同于光学中的“相位光栅”，此光栅常数与声波波长相等。于是当光束通过有超声波的介质时就会产生衍射现象，这是一种光波与介质中声波相互作用的结果，称为声光效应。

2.2 声光偏转原理

由声光布拉格衍射理论产生相长干涉的条件为

（1）

λ为入射光波长，n为折射率，d为光栅常数。

可知，光束以θR角入射时，产生衍射极值应满足布拉格条件θR=θd=θB，布拉格角一般很小，可写为

（2）

超声波在晶体中以行波的形式传播，在晶体内形成稳定的折射率变化，类似于在晶体内形成了体相位光栅，光栅常数d与超声波的波长相等，所以（2）式可以写为

（3）

为超声波波长

当光束入射角满足Bragg角时，晶体后的各级衍射光间存在相互干涉，最终干涉叠加的结果使高级衍射光相互抵消掉，最终仅剩下0级和1级（或-1级）两束低级衍射光。当声光晶体基本参数和入射超声波频率刚好匹配时，入射光只有很少的能量损失，都分散在低级衍射条纹上。

图1 声光偏移器原理

由于光波长远远小于超声波波长，由（3）式子得到

（4）

衍射光与入射光间的夹角（偏转角）等于布拉格角θB的2倍

（5）

f 为超声波的频率，Vs为超声波的速度。由式（5）可以看出：改变超声波频率f时，就可改变偏转角，从而达到控制光束传播方向的目的。

对（5）式子求导

（6）

当入射光的角度θR不变时，衍射角度的变化与超声波频率的变化成正比，

图2 声光偏移器角度变化

3 声光扫描激光雷达

声光扫描激光雷达与机械扫描机构激光雷达完全不同，虽然光束在扫描，但是发射与接收装置是固定的，没有机械运动部件。可靠性要高，但是扫描的角度有限，不能实现大范围的扫描。

上海光学精密机械研究所在基于声光扫描的三维视频激光雷达技术文章中，声光扫描激光雷达系统由激光器、激光发射模块、激光接收模块、信号处理模块、主控电路模块和上位机程序处理模块组成。

图3 声光扫描激光雷达系统

假设我们采用1550nm激光器，声光调制器的带宽为100MHz,光折射率为2.5，声波在晶体中的速度为1000m/s。代入到（6）中

得到一个方向的偏转角度为3.55°。整个扫描的角度为7.1°。

通过使用两个偏转方向相互垂直的声光偏转器组成二维声光偏转器件，可实现激光束的二维偏转

图4 二维声光扫描系统原理图