第三章光電子技術(shù)-2(聲光調(diào)制和聲光偏轉(zhuǎn))

第三章光波的調(diào)制

第二部分—聲光調(diào)制和磁光調(diào)制3.6聲光調(diào)制的物理基礎(chǔ)

3.6.1超聲波的概念

3.6.2聲光效應(yīng)

3.6.3拉曼——奈斯衍射

3.6.4布拉格衍射

3.6.5聲光調(diào)制

3.6.6聲光偏轉(zhuǎn)3.6.1超聲波的概念世界因?yàn)橛辛寺曇舳錆M歡樂。我們平常聽到的各種聲音只是聲音世界中的一部分，范圍在20赫茲至20000赫茲之間，而20000赫茲以上的聲音是超聲，盡管聽不到，卻很有意義。超聲波有兩個(gè)特點(diǎn)，一個(gè)是能量大，一個(gè)是沿直線傳播。它的應(yīng)用就是按照這兩個(gè)特點(diǎn)展開的。

理論研究表明，在振幅相同的情況下，一個(gè)物體振動(dòng)的能量跟振動(dòng)頻率的二次方成正比．超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的頻率很高，因而能量很大。超聲波的應(yīng)用1

蝙蝠非常善于使用超聲。它們用喉頭發(fā)出20千赫至120千赫之間的超聲啾鳴，用耳朵接收障礙物的反射回波，以這個(gè)回波來判斷獵物的距離、方位、形狀和速度。那份靈巧和精確讓人瞠目。

模仿蝙蝠使用超聲的道理，人類發(fā)明了聲納這種裝在船只及潛艇上的裝置?？砍曉谒袀鞑r(shí)碰到物體產(chǎn)生回波，來測定距離，確定位置。能發(fā)現(xiàn)對手，或保證航行安全。合成孔徑聲納可以用于海底測量，水下考古和搜尋水下失落物體等，尤其可以進(jìn)行高分辨海底測繪，對數(shù)字地球研究具有重要的意義?？蓴r截魚雷的脈沖聲波發(fā)射系統(tǒng)在探測到敵方發(fā)射的魚雷后，這些聲波轉(zhuǎn)換器可在瞬間發(fā)射出高能脈沖聲波，其強(qiáng)度足以摧毀或者提前引爆被鎖定的魚雷。由于是在水下，聲波攔截魚雷時(shí)的速度可達(dá)1.5千米/秒。超聲波的應(yīng)用2超聲不僅是信息載體，還是一種能量形式，在傳播時(shí)可以進(jìn)行能量的轉(zhuǎn)換。超聲波加濕器就是一個(gè)很簡單的例子。它的關(guān)鍵部件是壓電陶瓷，通電之后，把高頻電轉(zhuǎn)化為超聲，使很強(qiáng)的超聲波從下方發(fā)出。在水面的局部小區(qū)域內(nèi)，聲能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，引發(fā)起強(qiáng)大的機(jī)械力，把水“打碎”，并噴射出來，形成水霧，加濕空氣。

在我國北方干燥的冬季，如果把超聲波通入水罐中，劇烈的振動(dòng)會(huì)使罐中的水破碎成許多小霧滴，再用小風(fēng)扇把霧滴吹入室內(nèi)，就可以增加室內(nèi)空氣的濕度．這就是超聲波加濕器的原理。

對于咽喉炎、氣管炎等疾病，藥力很難達(dá)到患病的部位．利用加濕器的原理，把藥液霧化，讓病人吸入，能夠增進(jìn)療效．利用超聲波的巨大能量還可以把人體內(nèi)的結(jié)石擊碎．超聲波的應(yīng)用3超聲清洗。把表面生銹和沾有臟污的物體浸泡在水一類的清洗液中，送入一定量的超聲，使污物從工件表面脫落下來。金銀珠寶配帶久了，失去光澤，變得難以入目，化學(xué)清洗會(huì)損傷飾物表面，而超聲清洗可以整舊如新取得理想的效果。

超聲懸浮是借助超聲產(chǎn)生的強(qiáng)大聲場將顆?；蛞旱瓮衅穑诿荛]裝置內(nèi)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，保持超純度，超精度。超聲馬達(dá)是利用壓電陶瓷把電信號轉(zhuǎn)化成超聲振動(dòng)，產(chǎn)生一定的力，帶動(dòng)馬達(dá)工作，平穩(wěn)、速度可調(diào)、不怕磁干擾，小的可用于相機(jī)的變焦鏡頭，大的甚至可以代替現(xiàn)有的汽車馬達(dá)。超聲焊接是利用超聲的高頻振動(dòng)，把兩個(gè)不同的物件連接在一起，因?yàn)樗静话l(fā)熱、不變形，在微電子工業(yè)中用來焊接集成電路芯片，尤其是它能焊接某些特殊的稀有金屬，在核工業(yè)、空間技術(shù)等領(lǐng)域可以開發(fā)更多的用途。

超聲波的應(yīng)用43.6.2聲光效應(yīng)

晶體光學(xué)性質(zhì)的變化，不僅可以通過外加電場的作用實(shí)現(xiàn)，外力的作用也能夠造成折射率的改變。彈光效應(yīng)：由于外力作用而引起介質(zhì)光學(xué)性質(zhì)變化的現(xiàn)象。聲波作為一種彈性波，在晶體中傳播時(shí)，會(huì)造成介質(zhì)密度的疏密變化，使得介質(zhì)的折射率分布也隨之改變。聲光效應(yīng)：由于聲波作用而引起光學(xué)性質(zhì)變化的現(xiàn)象，聲光效應(yīng)是彈光效應(yīng)的一種。聲光效應(yīng)與電光效應(yīng)相似之處：

晶體在受到外部作用后，才出現(xiàn)光學(xué)性質(zhì)的變化，具體表現(xiàn)為折射率的分布發(fā)生改變。區(qū)別：電光效應(yīng)中，外加電場的加入是起因。聲光效應(yīng)中，造成折射率變化的因素是應(yīng)變或應(yīng)力。3.6.3拉曼——奈斯衍射

1、聲光衍射的定性描述：在晶體中傳播的超聲波，會(huì)造成晶體的局部壓縮或伸長，這種由于機(jī)械應(yīng)力引起的彈光效應(yīng)使晶體的介電常量發(fā)生變化，因而折射率也發(fā)生變化。

2、在介質(zhì)中形成了周期性的有不同折射率的間隔層，這些層以聲速運(yùn)動(dòng)，層間保持聲波波長一半（λs/2）的距離，當(dāng)光通過這種分層結(jié)構(gòu)時(shí)，就發(fā)生衍射，引起光強(qiáng)度、頻率和方向隨超聲場的變化。聲光衍射根據(jù)光波波長、聲波波長，以及相互作用區(qū)域的長度等因素，將聲光衍射分為：拉曼——奈斯衍射布拉格衍射3.6.3拉曼——奈斯衍射

1、在低聲頻和聲波束的寬度（即聲光相互作用）L不大的情況下且k⊥ks時(shí)可以將聲光介質(zhì)看成一塊普通的位相光柵。

2、光束在介質(zhì)中傳播時(shí)，由于折射率隨介質(zhì)密度的變化，使得出射光波的波前已不再是平面波的波面，而是波浪狀曲面。波面上的各點(diǎn)作為次波源，發(fā)出子波在空間相互干涉而形成多級衍射條紋。這種類似于普通面光柵的作用而產(chǎn)生的聲光衍射，就稱為拉曼——奈斯衍射。3.6.3拉曼——奈斯衍射對于垂直入射情形，相對于0度方向的衍射極值角度方向由公式λs入射光Lλ聲波陣面式中θm為第m級衍射極值的偏角。3.6.3拉曼——奈斯衍射拉曼—奈斯衍射時(shí)，入射光在相互作用區(qū)內(nèi)部的傳播方向仍保持直線方向，而與折射率變化有關(guān)的介質(zhì)的光學(xué)不均勻性只對通過聲柱的光的相位發(fā)生影響。聲波的作用可歸結(jié)為形成以聲速運(yùn)動(dòng)的、周期等于聲波周期的相位光柵，因而這種衍射遵循普通相位光柵的衍射定律。3.6.4布拉格衍射

在高聲頻和相互作用長度較大的情況下，并且光束與聲波波面成一定角度入射時(shí)，發(fā)生布拉格衍射。其衍射光譜只出現(xiàn)零級和+1級或零級和-1級。如果參數(shù)選擇合適，超聲功率足夠強(qiáng)，入射光幾乎可以全部轉(zhuǎn)移到+1級或-1級上，因?yàn)椴祭裱苌溆兄^高的轉(zhuǎn)換效率，所以它比拉曼—奈斯衍射應(yīng)用更為廣泛。結(jié)論3.6.4布拉格衍射

1、布拉格條件①同一鏡面上任意兩點(diǎn)的貢獻(xiàn)應(yīng)同相(圖4-16)BCDAx入射光束衍射光束②相鄰兩鏡面的反射光的相位應(yīng)該相同（圖4-17）布拉格衍射公式3.6.4布拉格衍射

1、布拉格條件拉曼—奈斯衍射與布拉格衍射的界定拉曼—奈斯衍射與布拉格衍射的判斷依據(jù)聲光相互作用特征長度L0來表示：拉曼—奈斯衍射布拉格衍射3.6.4布拉格衍射

2、聲光衍射的量子解釋根據(jù)光和聲的波粒二象性，可得知許多聲波對光都具有產(chǎn)生布喇格衍射的特性。據(jù)此模型，具有傳播矢量k、頻率為ω的一道光束可以看成是由動(dòng)量?k為和能量?ω(?＝h/2π，h為普郎克常數(shù))的粒子束(即光子)組成。同樣，聲波也可視為由動(dòng)量?k

s和能量?ωs的粒子(聲子)所組成。圖4-16所示的衍射可看成是光子與聲子的碰撞，每一次碰撞引起一個(gè)入射光子和一個(gè)聲子消失，同時(shí)沿散射光方向產(chǎn)生一個(gè)新的光子。能量守恒——決定了衍射光的頻率動(dòng)量守恒——決定了衍射波的方向3.6.4布拉格衍射

2、聲光衍射的量子解釋布拉格衍射波矢圖V入射光衍射光θi入射光衍射光θiVθdθikdkiksθdθikdkiks3.6.4布拉格衍射

3、聲光相互作用的理論分析電場對電極化矢量的影響：折射率變化對電極化矢量的影響：由麥?zhǔn)戏匠?，有：上式對入射波和衍射波均成立，故可寫成兩個(gè)標(biāo)量方程：入射光衍射光設(shè)該波動(dòng)方程有如下形式的解：將解帶入標(biāo)量方程，再注意到能量守恒和動(dòng)量守恒，可得到耦合波方程：3.6.4布拉格衍射

3、聲光相互作用的理論分析在考慮到只有頻率為ωi光束入射，且Ed(0)=0時(shí)，最終結(jié)果為：重要結(jié)論：1）、對任意的ri，

rd，光場的總能量是守恒的.2）、當(dāng)時(shí)，入射波將全部轉(zhuǎn)化成衍射波，這就是布拉格衍射最大的優(yōu)點(diǎn)。正是這一優(yōu)點(diǎn)使得布拉格聲光調(diào)制器件得到大量的應(yīng)用。3.6.4布拉格衍射

3、聲光相互作用的理論分析3.6.5聲光調(diào)制衍射效率的定義為：衍射光強(qiáng)為：考慮到聲光材料的具體參數(shù)，可表示為：最終決定衍射光強(qiáng)的是聲波的強(qiáng)度Is,通過變化聲強(qiáng)可以達(dá)到調(diào)制衍射光強(qiáng)的目的。從原理上講，聲光效應(yīng)即可用于光強(qiáng)調(diào)制，也可以用于頻率調(diào)制。由于衍射光的頻率不再與入射光相同，其改變量決定于聲波頻率，因而可以通過控制聲波驅(qū)動(dòng)電信號來實(shí)現(xiàn)頻率調(diào)制。但是，由于聲波頻率遠(yuǎn)低于光波頻率，頻率調(diào)制的意義不大。3.6.5聲光調(diào)制3.6.5聲光調(diào)制

拉曼—奈斯聲光調(diào)制器入射光調(diào)制信號a出射光ηΓtt00.513.6.5聲光調(diào)制

布拉格聲光調(diào)制器入射光調(diào)制信號b出射光ηΓtt聲光調(diào)制器的應(yīng)用電視機(jī)接收到的圖像和聲音是由電視臺(tái)將聲光信號調(diào)制為電信號發(fā)射出來的。電視機(jī)接收到電信號再經(jīng)過解調(diào)，還原成圖像和聲音。激光打印機(jī)激光器射出的光束也載有數(shù)據(jù)信息，這些信息的轉(zhuǎn)換過程也類似于電視機(jī)信息傳遞過程。只是此過程是由聲光調(diào)制器轉(zhuǎn)換的。聲光調(diào)制器的調(diào)制頻率可達(dá)30MHz左右，特性穩(wěn)定，因此大多數(shù)的激光打印機(jī)都采用這種調(diào)制器。

聲光調(diào)制器的工作原理是利用聲光效應(yīng)所產(chǎn)生的布雷格衍射的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對激光束傳播方向的控制。激光束欲完成圖文信息的映像任務(wù)，必須用圖文信息進(jìn)行調(diào)制，恰如電視臺(tái)將圖像及聲音信號調(diào)制到無線電波上去，方能在電視機(jī)中解調(diào)出圖像與聲音信號一樣。3.6.6聲光偏轉(zhuǎn)布拉格衍射的前提是動(dòng)量守恒θθΔθ3.6.6聲光偏轉(zhuǎn)聲波頻率（波矢）的改變將引起動(dòng)量三角形的失配，結(jié)果是衍射光波的大小幾乎不變，但其方向?qū)⑾騽?dòng)量失配最小的方向偏轉(zhuǎn)。偏轉(zhuǎn)角為：通常定義絕對偏轉(zhuǎn)角Δθ同光束發(fā)散角的比值為聲光偏轉(zhuǎn)器的可分辨光斑數(shù)目N。

τ是聲波穿過光束直徑所花的時(shí)間，通常稱為偏轉(zhuǎn)器的偏轉(zhuǎn)時(shí)間。當(dāng)聲波從頻率υ1變?yōu)棣?時(shí)，由于聲波傳播需要一定的時(shí)間，開始時(shí)只是在聲波源附近的聲波頻率為υ2，因此只有此處的光波衍射角由θ1變?yōu)棣?。只有經(jīng)過τ后，整個(gè)光束截面上的聲波才能都變?yōu)轭l率υ2

，衍射光束才能全部偏轉(zhuǎn)到θ2方向，相應(yīng)的偏轉(zhuǎn)速度是1/τ。討論：偏轉(zhuǎn)角能否任意加大？不能靠增大來增加偏轉(zhuǎn)角度，否則將使器件偏離布喇格條件甚遠(yuǎn)，引起衍射效率急劇下降，失去實(shí)用意義。復(fù)習(xí)聲光效應(yīng)聲光衍射拉曼——奈斯衍射布拉格衍射布拉格條件聲光衍射的量子解釋聲光調(diào)制拉曼——奈斯聲光調(diào)制器布拉格聲光調(diào)制器聲光偏轉(zhuǎn)聲光器件最新動(dòng)態(tài)美國國家健康研究院(NIH)的一個(gè)研究小組使用Brimrose公司的聲光可調(diào)濾波器(AOTF)作為核心部件，成功地研制出用于生物醫(yī)學(xué)研究的拉曼成像顯微鏡。聲光偏轉(zhuǎn)器件3.7磁光調(diào)制——磁光效應(yīng)線偏振光沿著光軸方向傳播時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生光的雙折射。但在某些晶體中，卻存在一種特殊的現(xiàn)象：光在傳播了一段距離后，偏振面旋轉(zhuǎn)了一定的角度。這就是旋光現(xiàn)象，一些物質(zhì)（包括晶體以及一些各向同性的氣體、液體）本身就具有這種特性，稱為天然旋光物質(zhì)。也有些晶體，在受到磁場作用時(shí)，會(huì)表現(xiàn)出旋光特性，具有人為旋光性質(zhì)。1845年法拉第首先發(fā)現(xiàn)了這個(gè)現(xiàn)象，因而也稱為法拉第效應(yīng)。3.2磁光調(diào)制——磁光效應(yīng)法拉第效應(yīng)VBθ起偏器檢偏器入射光出射光

V稱為費(fèi)爾德常數(shù),與物質(zhì)的性質(zhì)、溫度以及光的頻率（波長）有關(guān)。在一定物質(zhì)中不論光是沿磁場方向或逆磁場方向傳播，振動(dòng)面的轉(zhuǎn)向都一樣，只由磁場方向決定。若轉(zhuǎn)向與磁場方向成右手螺旋關(guān)系,該物質(zhì)的V取為正值，即θ>0。這樣，光來回傳播同樣距離后，其振動(dòng)面的轉(zhuǎn)角等于單程轉(zhuǎn)角的兩倍。V>0左旋，V

﹤0右旋。3.2磁光調(diào)制——磁光效應(yīng)控制電壓，即可控制旋光角度，從而控制第二個(gè)偏振片后的光強(qiáng)，最終實(shí)現(xiàn)光調(diào)制。VBθ起偏器檢偏器入射光出射光λ=589.3nm時(shí)的V值介質(zhì)SiO2ZnS冕牌玻璃火石玻璃NaClV(rad/m?T)4.0826.4239.6磁光材料與天然旋光效應(yīng)的區(qū)別旋光性物質(zhì)偏振面的轉(zhuǎn)動(dòng)角度與光束傳播方向有關(guān)

光束返回通過天然旋光介質(zhì)時(shí)，旋光角度與正向入射時(shí)相反，因而往返通過介質(zhì)的總效果是偏轉(zhuǎn)角為零；磁光材料與傳播方向無關(guān)，僅與外磁場的方向有關(guān)。光束返回通過法拉第旋光介質(zhì)時(shí)，旋轉(zhuǎn)角度增加一倍。正向通過天然物質(zhì)的旋光性正向通過：反向通過：法拉第效應(yīng)中的旋光性正向通過：反向通過：磁光材料與天然旋光效應(yīng)的區(qū)別法拉第效應(yīng)的這種特性使人們能夠采用將光束多次反射進(jìn)法拉第器件中，從而得到大的旋角度。磁光調(diào)制器的優(yōu)點(diǎn)是：工作所需功率低，受溫度影響小，缺點(diǎn)是僅適用于紅外波段。實(shí)際上，磁光器件更多地用在光隔離器、光存儲(chǔ)器等方面。磁光效應(yīng)的應(yīng)用——顯示器件一些大分子或長鏈分子的溶液，在局部范圍內(nèi)由于相互作用，會(huì)有規(guī)則地排列液晶，從而產(chǎn)生類似于晶體的各向異性。設(shè)計(jì)薄層的厚度使得，不加電壓時(shí)，通光（透射光由于分子扭曲，自然產(chǎn)生90度的旋轉(zhuǎn)）。加電壓時(shí)，通光強(qiáng)度隨電壓的變化而變化。磁光效應(yīng)的應(yīng)用——光盤的讀寫LDLD聚焦透鏡光盤寫入磁頭起偏器準(zhǔn)直透鏡聚焦透鏡分束器聚焦透鏡檢偏器光電轉(zhuǎn)換磁光效應(yīng)的應(yīng)用——磁光開關(guān)磁光開關(guān)原理是利用法拉第旋光效應(yīng)，通過外加磁場的改變來改變磁光晶體對入射偏振光偏振面的作用，從而達(dá)到切換光路的效果。相對于傳統(tǒng)的機(jī)械式光開關(guān)，它具有開關(guān)速度快，穩(wěn)定性高等優(yōu)勢。相對于其他的非機(jī)械式光開關(guān)，它又具有驅(qū)動(dòng)電壓低、串?dāng)_小等優(yōu)勢。

磁光開關(guān)設(shè)計(jì)原理法拉第效應(yīng)線偏振光沿外加磁場方向通過介質(zhì)時(shí)偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)。晶體的選擇1．磁旋光率