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

1、 3.6.1超聲波的概念超聲波的概念 3.6.2聲光效應(yīng)聲光效應(yīng) 3.6.3拉曼拉曼奈斯衍射奈斯衍射 3.6.4布拉格衍射布拉格衍射 3.6.5聲光調(diào)制聲光調(diào)制 3.6.6聲光偏轉(zhuǎn)聲光偏轉(zhuǎn)v 世界因?yàn)橛辛寺曇舳錆M歡樂(lè)。我們平常聽(tīng)到的各種世界因?yàn)橛辛寺曇舳錆M歡樂(lè)。我們平常聽(tīng)到的各種聲音只是聲音世界中的一部分，范圍在聲音只是聲音世界中的一部分，范圍在2020赫茲至赫茲至2000020000赫赫茲之間，而茲之間，而2000020000赫茲以上的聲音是超聲，盡管聽(tīng)不到，赫茲以上的聲音是超聲，盡管聽(tīng)不到，卻很有意義。卻很有意義。 v 超聲波有兩個(gè)特點(diǎn)，一個(gè)是超聲波有兩個(gè)特點(diǎn)，一個(gè)是能量大能量大，一個(gè)

2、是，一個(gè)是沿直線傳沿直線傳播播。它的應(yīng)用就是按照這兩個(gè)特點(diǎn)展開(kāi)的。它的應(yīng)用就是按照這兩個(gè)特點(diǎn)展開(kāi)的。v 理論研究表明，在振幅相同的情況下，一個(gè)物體振動(dòng)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。時(shí)，介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的頻率很高，因而能量很大。v 蝙蝠非常善于使用超聲。它們用喉頭發(fā)出蝙蝠非常善于使用超聲。它們用喉頭發(fā)出2020千赫至千赫至120120千赫之間的超聲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(lái)判斷獵物的距離、方位、啾鳴，用耳朵接收障礙

3、物的反射回波，以這個(gè)回波來(lái)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。形狀和速度。那份靈巧和精確讓人瞠目。v 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。置。 靠超聲在水中傳播時(shí)碰到物體產(chǎn)生回波，來(lái)測(cè)定距離，確定位置。能靠超聲在水中傳播時(shí)碰到物體產(chǎn)生回波，來(lái)測(cè)定距離，確定位置。能發(fā)現(xiàn)對(duì)手，或保證航行安全。發(fā)現(xiàn)對(duì)手，或保證航行安全。 合成孔徑聲納可以用于海底測(cè)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(cè)繪，對(duì)數(shù)字地球研究具有重要的意義。 可攔截魚(yú)雷的脈沖聲波發(fā)射系統(tǒng) 在探測(cè)到敵方發(fā)射的

4、魚(yú)雷后，這些聲波轉(zhuǎn)換器可在瞬在探測(cè)到敵方發(fā)射的魚(yú)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(yú)雷。由于是在水下，聲波攔截魚(yú)雷時(shí)的速度被鎖定的魚(yú)雷。由于是在水下，聲波攔截魚(yú)雷時(shí)的速度可達(dá)可達(dá)1.51.5千米千米/ /秒。秒。 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(jiǎn)單的例子。它的關(guān)鍵部件能量的轉(zhuǎn)換。超聲波加濕器就是一個(gè)很簡(jiǎn)單的例子。它的關(guān)鍵部件是是壓電陶瓷壓電陶瓷，通電之后，把高頻電轉(zhuǎn)化為超聲，使很強(qiáng)的超聲波

5、從，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)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，把水大的機(jī)械力，把水“打碎打碎”，并噴射出來(lái)，形成水霧，加濕空氣。，并噴射出來(lái)，形成水霧，加濕空氣。 在我國(guó)北方干燥的冬季，如果把超聲波通入水罐中，劇烈的振動(dòng)在我國(guó)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。可以增加室內(nèi)空氣的濕度這就是超聲波加濕器的原

6、理。 對(duì)于咽喉炎、氣管炎等疾病，藥力很難達(dá)到患病的部位利用對(duì)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)石擊碎聲波的巨大能量還可以把人體內(nèi)的結(jié)石擊碎 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，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(lái)。金銀珠寶配帶久了，失送入一定量的超聲，使污物從工件表面脫落下來(lái)。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

7、清洗可以整舊去光澤，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。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(chǎng)將顆?；蛞旱瓮衅?，在密閉裝置超聲懸浮是借助超聲產(chǎn)生的強(qiáng)大聲場(chǎng)將顆?；蛞旱瓮衅?，在密閉裝置內(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(hào)轉(zhuǎn)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(hào)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)。干擾，小的可用于相機(jī)的變焦鏡頭，大的甚至可

8、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暫附邮抢贸暤母哳l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(lái)焊接集成電路芯片，尤其是它基本不發(fā)熱、不變形，在微電子工業(yè)中用來(lái)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(kāi)發(fā)更多的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(kāi)發(fā)更多的用途。用途。 v 晶體光學(xué)性質(zhì)的變化，不僅可以通過(guò)外加電場(chǎng)的作用晶體光學(xué)性質(zhì)的變化，不僅可以通過(guò)外加電場(chǎng)的作用實(shí)現(xiàn)，外力的作用也能夠造成折射率的改變。實(shí)現(xiàn)，外力的作用也能夠造成折射率的改變。v

9、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。現(xiàn)象。v 聲波作為一種彈性波，在晶體中傳播時(shí)，會(huì)造成介質(zhì)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。密度的疏密變化，使得介質(zhì)的折射率分布也隨之改變。v 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)：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)是彈光效應(yīng)的一種。聲光效應(yīng)與電光效應(yīng)v相似之處：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，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

10、發(fā)生改變。具體表現(xiàn)為折射率的分布發(fā)生改變。v區(qū)別：區(qū)別： 電光效應(yīng)中，外加電場(chǎng)的加入是起因。電光效應(yīng)中，外加電場(chǎng)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。聲光效應(yīng)中，造成折射率變化的因素是應(yīng)變或應(yīng)力。 1 1、聲光衍射的定性描述：在晶體中傳播的超聲波，會(huì)造、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(zhǎng)，這種由于機(jī)械應(yīng)力引起的彈成晶體的局部壓縮或伸長(zhǎng)，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。變化。 2 2、在介質(zhì)中形成了周期性的有不同折射率的間隔層，這、在介質(zhì)中形成了

11、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(zhǎng)一半（些層以聲速運(yùn)動(dòng)，層間保持聲波波長(zhǎng)一半（s s/2/2）的距）的距離，當(dāng)光通過(guò)這種分層結(jié)構(gòu)時(shí)，就發(fā)生衍射，引起離，當(dāng)光通過(guò)這種分層結(jié)構(gòu)時(shí)，就發(fā)生衍射，引起光強(qiáng)光強(qiáng)度、頻率和方向度、頻率和方向隨超聲場(chǎng)的變化隨超聲場(chǎng)的變化。聲光衍射根據(jù)光波波長(zhǎng)、聲波波長(zhǎng)，以及相互作用區(qū)域的根據(jù)光波波長(zhǎng)、聲波波長(zhǎng)，以及相互作用區(qū)域的長(zhǎng)度等因素，將聲光衍射分為：長(zhǎng)度等因素，將聲光衍射分為： 拉曼拉曼奈斯衍射奈斯衍射 布拉格衍射布拉格衍射 1 1、在低聲頻和聲波束的寬度（即聲光相互作用）、在低聲頻和聲波束的寬度（即聲光相互作用）L L不大的不大的情況下

12、且情況下且k kk ks s時(shí)可以將聲光介質(zhì)看成一塊普通的位相光時(shí)可以將聲光介質(zhì)看成一塊普通的位相光柵。柵。 2 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，、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(jí)衍射條紋。這種類似于普通面光柵的互干涉而形成多級(jí)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，就稱為作用而產(chǎn)生的聲光衍射，就稱為拉曼拉曼奈斯衍射奈斯衍射。 對(duì)于垂直入射

13、情形，相對(duì)于對(duì)于垂直入射情形，相對(duì)于0 0度度方向的衍射極值角度方向由公式方向的衍射極值角度方向由公式sL聲波陣面聲波陣面, 2, 1, 0sinmmsm式中式中mm為第為第m m級(jí)衍射極值的偏角。級(jí)衍射極值的偏角。v拉曼拉曼奈斯衍射時(shí)，入射光在相互作用區(qū)內(nèi)部的奈斯衍射時(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)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(duì)通過(guò)聲柱的光的相位的介質(zhì)的光學(xué)不均勻性只對(duì)通過(guò)聲柱的光的相位發(fā)生影響。發(fā)生影響。v聲波的作用可歸結(jié)為形成以聲速運(yùn)動(dòng)的、周期等聲波的作用可歸結(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于聲波周

14、期的相位光柵，因而這種衍射遵循普通，因而這種衍射遵循普通相位光柵的衍射定律。相位光柵的衍射定律。 在高聲頻和相互作用長(zhǎng)度較大的情況下，并且光束與在高聲頻和相互作用長(zhǎng)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(jí)和光譜只出現(xiàn)零級(jí)和+1級(jí)或零級(jí)和級(jí)或零級(jí)和-1級(jí)。級(jí)。 如果參數(shù)選擇合適，超聲功率足夠強(qiáng)，入射光幾乎可如果參數(shù)選擇合適，超聲功率足夠強(qiáng)，入射光幾乎可以全部轉(zhuǎn)移到以全部轉(zhuǎn)移到+1級(jí)或級(jí)或-1級(jí)上，因?yàn)椴祭裱苌溆兄^高級(jí)上，因?yàn)椴祭裱苌溆兄^高的轉(zhuǎn)換效率，所以它比拉曼的轉(zhuǎn)換效率，所以它比拉曼奈斯衍射

15、應(yīng)用更為廣泛。奈斯衍射應(yīng)用更為廣泛。結(jié)論結(jié)論的整數(shù)倍應(yīng)該為BDAC v 同一鏡面上任意兩點(diǎn)的貢獻(xiàn)應(yīng)同相同一鏡面上任意兩點(diǎn)的貢獻(xiàn)應(yīng)同相(圖圖4-16)riririmnxmxxn)cos(cos)coscos(svsBCDAiirrx入射光束入射光束衍射光束衍射光束v 相鄰兩鏡面的反射光的相位應(yīng)該相同（圖相鄰兩鏡面的反射光的相位應(yīng)該相同（圖4-17） ns2sin布拉格衍射公式布拉格衍射公式拉曼拉曼奈斯衍射與布拉格衍射的界定奈斯衍射與布拉格衍射的界定 拉曼拉曼奈斯衍射與布拉格衍射的判斷依據(jù)聲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(zhǎng)度光相互作用特征長(zhǎng)度L0來(lái)表示：來(lái)表示：20sL 拉曼拉曼奈

16、斯衍射奈斯衍射22120sLL布拉格衍射布拉格衍射2022sLLv 根據(jù)光和聲的波粒二象性，可得知許多聲波對(duì)光都具根據(jù)光和聲的波粒二象性，可得知許多聲波對(duì)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、頻率為頻率為的一道光束可以看成是由動(dòng)量的一道光束可以看成是由動(dòng)量k為和能量為和能量 (h/2，h h為普郎克常數(shù)為普郎克常數(shù))的粒子束的粒子束(即光子即光子)組成。同樣，組成。同樣，聲波也可視為由動(dòng)量聲波也可視為由動(dòng)量k s和能量和能量 s的粒子的粒子(聲子聲子)所組成。所組成。圖圖4-16所示的衍射可看成是光子與聲子的碰撞，每一次碰所示的衍

17、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。產(chǎn)生一個(gè)新的光子。 能量守恒能量守恒決定了衍射光的頻率決定了衍射光的頻率isdisdkkkkkkisdisd動(dòng)量守恒動(dòng)量守恒決定了衍射波的方向決定了衍射波的方向布拉格衍射波矢圖入射光入射光衍射光衍射光i入射光入射光衍射光衍射光idikdkiksdikdkiks電場(chǎng)對(duì)電極化矢量的影響：電場(chǎng)對(duì)電極化矢量的影響：enp) 1(20),(),(2),(0tretrntrp),(),(22222trpttetreNLdddiiiptteepttee)(

18、)(2222222222折射率變化對(duì)電極化矢量的影響：折射率變化對(duì)電極化矢量的影響：由麥?zhǔn)戏匠?，有：由麥?zhǔn)戏匠蹋校荷鲜綄?duì)入射波和衍射波均成立，故可寫(xiě)成兩個(gè)標(biāo)量方程：上式對(duì)入射波和衍射波均成立，故可寫(xiě)成兩個(gè)標(biāo)量方程：入射光入射光衍射光衍射光v 設(shè)該波動(dòng)方程有如下形式的解：設(shè)該波動(dòng)方程有如下形式的解：ccerEtreccerEtrerktjdddrktjiiiddii)()()(21),()(21),(iddiEjdtdEEjdtdEv 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：合波方程：)sin()0()cos()0(

19、)()sin()0()cos()0()(diddddiiiiiirjErErErjErErEv 在考慮到只有頻率為在考慮到只有頻率為i光束入射，且光束入射，且Ed(0)=0(0)=0時(shí)，最終結(jié)果為時(shí)，最終結(jié)果為：)sin()0()()cos()0()(diddiiiirjErErErE重要結(jié)論：重要結(jié)論：1）、對(duì)任意的）、對(duì)任意的ri ， rd ，光場(chǎng)的總能量是守恒的光場(chǎng)的總能量是守恒的.2）、當(dāng)）、當(dāng) 時(shí)，入射波將全部轉(zhuǎn)化成衍射波，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。格聲光

20、調(diào)制器件得到大量的應(yīng)用。2dirr 衍射效率的定義為：衍射效率的定義為：衍射EErdid2220( )sin ()IId0衍射衍射 sin ()22lMIs衍射光強(qiáng)為：衍射光強(qiáng)為：考慮到聲光材料的具體參數(shù)，考慮到聲光材料的具體參數(shù)， 可表示為：可表示為： 最終決定衍射光強(qiáng)的是聲波的強(qiáng)度最終決定衍射光強(qiáng)的是聲波的強(qiáng)度Is,通過(guò)變化聲強(qiáng)可通過(guò)變化聲強(qiáng)可以達(dá)到調(diào)制衍射光強(qiáng)的目的。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，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，

21、因而可入射光相同，其改變量決定于聲波頻率，因而可以通過(guò)控制聲波驅(qū)動(dòng)電信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)頻率調(diào)制。但以通過(guò)控制聲波驅(qū)動(dòng)電信號(hào)來(lái)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。意義不大。拉曼奈斯聲光調(diào)制器調(diào)制信號(hào)att00.51布拉格聲光調(diào)制器調(diào)制信號(hào)btt衍射 sin ()22lMIs 電視機(jī)接收到的圖像和聲音是由電視臺(tái)將聲光信號(hào)調(diào)制為電信號(hào)電視機(jī)接收到的圖像和聲音是由電視臺(tái)將聲光信號(hào)調(diào)制為電信號(hào)發(fā)射出來(lái)的。電視機(jī)接收到電信號(hào)再經(jīng)過(guò)解調(diào)，還原成圖像和聲音。發(fā)射出來(lái)的。電視機(jī)接收到電信號(hào)再經(jīng)過(guò)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

22、載有數(shù)據(jù)信息，這些信息的轉(zhuǎn)換過(guò)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(guò)程也類似于電視機(jī)信息傳遞過(guò)程。只是此過(guò)程是由聲光調(diào)制器轉(zhuǎn)換程也類似于電視機(jī)信息傳遞過(guò)程。只是此過(guò)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)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。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特 點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)激光束傳播方向的控制。激光束欲完成圖文信息的映點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)激光束傳播方向的控制。激光束欲完成圖

23、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(hào)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(hào)調(diào)制到無(wú)線電波上去，方能在電視機(jī)中解調(diào)出圖像與調(diào)制到無(wú)線電波上去，方能在電視機(jī)中解調(diào)出圖像與 聲音信號(hào)一樣。聲音信號(hào)一樣。kkkdsi布拉格衍射的前提是動(dòng)量守恒布拉格衍射的前提是動(dòng)量守恒dkiksk2sssvkv 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：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：kknvdssv

24、 通常定義絕對(duì)偏轉(zhuǎn)角通常定義絕對(duì)偏轉(zhuǎn)角同光束發(fā)散角的比值為聲光偏轉(zhuǎn)器的同光束發(fā)散角的比值為聲光偏轉(zhuǎn)器的可分可分辨光斑數(shù)目辨光斑數(shù)目N。ssssDD衍射sNv 是聲波穿過(guò)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。是聲波穿過(guò)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)聲波從頻率當(dāng)聲波從頻率1 1變?yōu)樽優(yōu)? 2時(shí)，由于聲波傳播需要一定的時(shí)間，開(kāi)始時(shí)只時(shí)，由于聲波傳播需要一定的時(shí)間，開(kāi)始時(shí)只是在聲波源附近的聲波頻率為是在聲波源附近的聲波頻率為2 2，因此只有此處的光波衍射角由，因此只有此處的光波衍射角由1 1變?yōu)樽優(yōu)? 2。只有經(jīng)過(guò)。只有經(jīng)過(guò)后，整個(gè)光束截面上的聲波才能都變?yōu)轭l率后，整個(gè)光束截

25、面上的聲波才能都變?yōu)轭l率2 2 ，衍射，衍射光束才能全部偏轉(zhuǎn)到光束才能全部偏轉(zhuǎn)到2方向，相應(yīng)的偏轉(zhuǎn)速度是方向，相應(yīng)的偏轉(zhuǎn)速度是1/。討論：偏轉(zhuǎn)角能否任意加大？v 不能靠增大來(lái)增加偏轉(zhuǎn)角度，否則將使器不能靠增大來(lái)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。降，失去實(shí)用意義。 復(fù)習(xí)v聲光效應(yīng)聲光效應(yīng)v聲光衍射聲光衍射 拉曼拉曼奈斯衍射奈斯衍射 布拉格衍射布拉格衍射 布拉格條件布拉格條件 聲光衍射的量子解釋聲光衍射的量子解釋v聲光調(diào)制聲光調(diào)制 拉曼拉曼奈斯聲光調(diào)制器奈斯聲光調(diào)制器 布拉格聲光調(diào)制器布拉格聲光調(diào)制器v聲光偏轉(zhuǎn)

26、聲光偏轉(zhuǎn)聲光器件最新動(dòng)態(tài) 美國(guó)國(guó)家健康研究院美國(guó)國(guó)家健康研究院(NIH)(NIH)的一個(gè)研究小組使用的一個(gè)研究小組使用BrimroseBrimrose公司的公司的聲光可調(diào)濾波器聲光可調(diào)濾波器(AOTF)(AOTF)作為核心部件，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。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v 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

27、光現(xiàn)象，一些物質(zhì)（包括晶體以振面旋轉(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(chǎng)作用時(shí)，會(huì)表現(xiàn)出旋光特性，具光物質(zhì)。也有些晶體，在受到磁場(chǎng)作用時(shí)，會(huì)表現(xiàn)出旋光特性，具有人為旋光性質(zhì)。有人為旋光性質(zhì)。18451845年法拉第首先發(fā)現(xiàn)了這個(gè)現(xiàn)象，因而也稱為年法拉第首先發(fā)現(xiàn)了這個(gè)現(xiàn)象，因而也稱為法拉第效應(yīng)。法拉第效應(yīng)。v法拉第效應(yīng)法拉第效應(yīng)VBLVB起偏器起偏器檢偏器檢偏器入射光入射光出射光出射光 V 稱為費(fèi)爾德常數(shù)稱為費(fèi)爾德常數(shù),與物質(zhì)的性質(zhì)、溫度

28、以及光的頻率（波長(zhǎng)）有關(guān)。在與物質(zhì)的性質(zhì)、溫度以及光的頻率（波長(zhǎng)）有關(guān)。在一定物質(zhì)中不論光是沿磁場(chǎng)方向或逆磁場(chǎng)方向傳播，振動(dòng)面的轉(zhuǎn)向都一樣，一定物質(zhì)中不論光是沿磁場(chǎng)方向或逆磁場(chǎng)方向傳播，振動(dòng)面的轉(zhuǎn)向都一樣，只由磁場(chǎng)方向決定。若轉(zhuǎn)向與磁場(chǎng)方向成右手螺旋關(guān)系只由磁場(chǎng)方向決定。若轉(zhuǎn)向與磁場(chǎng)方向成右手螺旋關(guān)系,該物質(zhì)的該物質(zhì)的V 取為正值，取為正值，即即0。這樣，光來(lái)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。這樣，光來(lái)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，左旋， V 0右旋。右旋。 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)，最終控制電壓，即可控制旋

29、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。實(shí)現(xiàn)光調(diào)制。VB起偏器起偏器檢偏器檢偏器入射光入射光出射光出射光=589.3nm時(shí)的V值介質(zhì)介質(zhì)SiOSiO2 2ZnSZnS冕牌玻冕牌玻璃璃火石?；鹗ＡЯaClNaClV(rad/mV(rad/mT)T)4.04.082826.46.423239.69.6 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)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(guò)天然旋光介質(zhì)時(shí)，旋光角度與正向入射時(shí)相反，因光束返回通過(guò)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(guò)介質(zhì)的總效果是偏轉(zhuǎn)角為零；而往返通過(guò)介質(zhì)的總效果是偏轉(zhuǎn)角為零； 磁光材

30、料與傳播方向無(wú)關(guān)，僅與外磁場(chǎng)的方向有關(guān)磁光材料與傳播方向無(wú)關(guān)，僅與外磁場(chǎng)的方向有關(guān) 。 光束返回通過(guò)法拉第旋光介質(zhì)時(shí)，旋轉(zhuǎn)角度增加一倍。光束返回通過(guò)法拉第旋光介質(zhì)時(shí)，旋轉(zhuǎn)角度增加一倍。正向通過(guò)正向通過(guò)正向通過(guò)正向通過(guò) ：反向通過(guò)反向通過(guò) ：磁光材料與天然旋光效應(yīng)的區(qū)別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。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，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，

31、磁光器件更多地用在缺點(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。光隔離器、光存儲(chǔ)器等方面。磁光效應(yīng)的應(yīng)用磁光效應(yīng)的應(yīng)用顯示器件顯示器件 一些大分子或長(zhǎng)鏈分子的溶一些大分子或長(zhǎng)鏈分子的溶液，在局部范圍內(nèi)由于相互作用，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。類似于晶體的各向異性。4 設(shè)計(jì)薄層的厚度使得，不加設(shè)計(jì)薄層的厚度使得，不加電壓時(shí)，通光電壓時(shí)，通光 （透（透 射光由射光由于分子扭曲，自然產(chǎn)生于分子扭曲，自然產(chǎn)生90度度的旋轉(zhuǎn)）。的旋轉(zhuǎn)）。4 加電壓時(shí)，通光強(qiáng)度隨電壓加電壓時(shí)，通光強(qiáng)度隨電壓的變化

32、而變化。的變化而變化。磁光效應(yīng)的應(yīng)用磁光效應(yīng)的應(yīng)用光盤(pán)的讀寫(xiě)光盤(pán)的讀寫(xiě)LDLD聚焦聚焦透鏡透鏡光盤(pán)光盤(pán)寫(xiě)入寫(xiě)入磁頭磁頭起偏器起偏器準(zhǔn)直準(zhǔn)直透鏡透鏡聚焦聚焦透鏡透鏡分束器分束器聚焦聚焦透鏡透鏡檢偏器檢偏器光電轉(zhuǎn)換光電轉(zhuǎn)換磁光效應(yīng)的應(yīng)用磁光效應(yīng)的應(yīng)用磁光開(kāi)關(guān)磁光開(kāi)關(guān)v 磁光開(kāi)關(guān)原理是利用法拉第旋光效應(yīng)，通過(guò)外加磁光開(kāi)關(guān)原理是利用法拉第旋光效應(yīng)，通過(guò)外加磁場(chǎng)的改變來(lái)改變磁光晶體對(duì)入射偏振光偏振面磁場(chǎng)的改變來(lái)改變磁光晶體對(duì)入射偏振光偏振面的作用，從而達(dá)到切換光路的效果。的作用，從而達(dá)到切換光路的效果。 相對(duì)于傳統(tǒng)的機(jī)械式光開(kāi)關(guān)，它具有開(kāi)關(guān)速度快，相對(duì)于傳統(tǒng)的機(jī)械式光開(kāi)關(guān)，它具有開(kāi)關(guān)速度快，穩(wěn)定性高等優(yōu)勢(shì)。穩(wěn)定性高等優(yōu)勢(shì)。 相對(duì)于其他的非機(jī)械式光開(kāi)關(guān)，它又具有驅(qū)動(dòng)電壓相對(duì)于其他的非機(jī)械式光開(kāi)關(guān)，它又具有驅(qū)動(dòng)電壓低、串?dāng)_小等優(yōu)勢(shì)。低、串?dāng)_小等優(yōu)勢(shì)。 磁光開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)原理磁光開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)原理 v法拉第效應(yīng)法拉第效應(yīng) 線偏振光沿外加磁場(chǎng)方向通過(guò)介質(zhì)時(shí)偏振面線偏振光沿外加磁場(chǎng)方向通過(guò)介質(zhì)時(shí)偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)發(fā)生旋轉(zhuǎn) 。晶體的選擇晶體的選擇 v1磁旋光率要盡可能的大。磁旋光率要盡可能的大。v2磁光晶體的外加飽和磁場(chǎng)要盡可能的小。磁光晶體的外加飽和磁場(chǎng)要盡可能的小。v3. 磁光晶體的各項(xiàng)參數(shù)的溫度穩(wěn)定性能，要求飽和磁光晶體的各項(xiàng)參數(shù)的溫度穩(wěn)定性能，要求飽和外場(chǎng)強(qiáng)、法