在现实的光学实验或工业系统里，你或许碰到这样的烦恼：
· 激光系统的输出频率／强度忽高忽低，无法稳定锁定，导致数据不可靠、重复率低。
· 想把激光快速“开／关”或改变其频率、方向，但机械快门太慢、响应时间太长。
· 光通信链路中，想把信息“载”到光波上，但传统调制方式受限、带宽低、成本高。
· 在高功率激光加工、超快脉冲激光实验中，光束损耗大、调制器热量高、系统设计难度大。

在这样的场景下，单纯把光源“打开”已经远远不够，还要精准控制光的相位、强度、频率或者传播方向。电光调制器（EOM）与声光调制器（AOM）均是对光进行调制的器件，在现代光学实验中应用广泛。为了更好的认识与区分两种调制器，我们将分别对电光调制器与声光调制器的原理与应用进行介绍。

一、电光调制器

1. 原理
电光调制器(electro-optic modulators，EOM)的工作原理是利用如铌酸锂(LiNb03)、砷化镓(GaAs)和钽酸锂(LiTa03)等电光晶体的电光效应对光进行调制。电光效应指的是电光晶体在电压作用下折射率发生改变的现象。因此，通过电压控制改变折射率，可以实现对光波相位的调制。

图1 电光调制器

在理想情况下，利用起偏器可以使入射光变为纯的线偏振光，并且其偏振方向严格平行于晶体的z轴方向，此时只有一个沿z轴方向偏振的光通过晶体，出射光的偏振状态和强度不会改变，只是改变其相位，此相位调制为纯的相位调制，用公式表示为：

式中，E0为入射光场的振幅，ω为光场的圆频率，光场的相位变化表示为：

式中，λ为光波波长，为电场作用下折射率的变化，γ33为有效电光系数，U(t)为施加在晶体上的电压，l为晶体的长度，d为晶体的厚度。

2.  调制物理量
（1）调制相位：由上文电光效应的原理可得，在电场作用下晶体折射率的改变将导致对应的光产生相位差；
（2）强度调制：EOM配合马赫-曾德尔干涉仪可以实现对光强度的调制，其原理如图2所示。

图2 电光强度调节

3. 应用
EOM的一些典型应用包括：
(1) 用在激光频率稳定：例如，利用Pound-Drever-Hall方法的激光稳频，如图4所示。图中激光器输出频率为ω的激光，然后经过EOM，对激光光场进行射频电光相位调制，然后将调制后的激光信号经过二分之一波片、偏振分束棱镜与四分之一波片进入光学腔，与光学腔谐振。
接着通过反射到光电探测器，偏振分束棱镜与四分之一波片的作用就是让腔反射光进入探测器。接着对反射光信号进行相位解调，得到反射光中的频率失谐信息，产生误差信号，然后通过低通滤波器和比例积分电路处理后，反馈到激光器的压电陶瓷或者声光调制器等其他响应器件，进行频率补偿，最终实现将普通激光锁定在超稳光学腔上。

图3 PDH稳频光路

(2) 固态激光器中的Q开关（其中EOM是在脉冲辐射之前用来关闭激光谐振腔）；
(3) 主动锁模（EOM调制谐振腔损耗或者往返光的相位等）；
(4) 光通信：在光纤通信系统中，EOM用于相位编码、相位调制和波长转换等。

二、声光调制器

1. 原理
声光调制器 (acousto-optic modulators，AOM) 是一种基于声光效应通过电驱动信号控制激光束功率的装置。

图4 声光调制器

声光效应指的是：机械波通过介质时会造成介质的局部压缩和伸长而产生弹性应变，该应变随时间和空间作周期性变化，使介质出现疏密相间的现象，如同一个相位光栅。当光通过这一受到机械波扰动的介质时就会发生衍射现象，这种现象称之为声光效应。
产生声光效应的器件叫声光器件，如图5所示，声光器件由声光介质、电-声换能器和声吸收材料等组成。

图5 声光器件

声光介质是声光相互作用的媒介；电-声换能器也称超声波发生器，其作用是将高频振荡器输入的电功率转换成声功率，使得在介质中形成超声场。吸声或反射材料则用于吸收或反射超声波，以使在声光介质中形成行波场或驻波场。AOM就是典型的声光器件。
2. 调制物理量
(1) 频率调制：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，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。改变输入信号的频率，即可控制输出光的频移量，或者保持驱动频率不变，取不同衍射级次作为输出；
(2) 方向偏转：基于布拉格声光衍射的原理，可以通过改变超声波的频率来改变衍射光的偏转方向。
AOM的衍射效率是其重要参数，是指输入光信号被声波调制后，输出光信号中的衍射效果。衍射效率与声波的频率、功率、入射光的波长和功率等因素密切相关。在布拉格频率附近，衍射效率较高，可以实现较好的光调制效果。

3. 应用
AOM的应用有：
（1）在通信领域，可将所需传输的信息加载在光波上；
（2）用于信号处理，如雷达信号处理，扩频通信和数据传输等；
（3）用于固体激光器调Q，产生强脉冲光。利用AOM进行调Q的原理图如图6所示：

图6 声光调Q原理

当高频振荡信号加在声光调Q器件的换能器上时，在声光介质中形成等效的“相位光栅”；当光束通过声光介质时，便产生布拉格衍射，使光波偏离出腔外，使谐振腔处于高损耗低Q值状态，不能产生振荡，Q开关将激光“关断”；
当高频信号的作用突然停止，则声光介质中的超声场消失，于是谐振腔又突变为高Q值状态，相当于Q开关“打开”。Q值交替变化一次，就使激光器输出一个调Q脉冲。