聲光調(diào)制的概念和物理基礎(chǔ)

1、聲光調(diào)制的概念和物理基礎(chǔ)超聲波的概念 聲光效應(yīng) 拉曼奈斯衍射 布拉格衍射 聲光調(diào)制 聲光偏轉(zhuǎn)超聲波的概念 世界因為有了聲音而充滿歡樂。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。 超聲波有兩個特點，一個是能量大，一個是沿直線傳播。它的應(yīng)用就是按照這兩個特點展開的。 理論研究表明，在振幅相同的情況下，一個物體振動的能量跟振動頻率的二次方成正比超聲波在介質(zhì)中傳播時，介質(zhì)質(zhì)點振動的頻率很高，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

2、物的反射回波，以這個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。 靠超聲在水中傳播時碰到物體產(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。 可攔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，聲波攔截魚雷時的速度可達(dá)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

3、式，在傳播時可以進(jìn)行能量的轉(zhuǎn)換。超聲波加濕器就是一個很簡單的例子。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，劇烈的振動會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

4、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)大聲場將顆粒或液滴托起，在密閉裝置內(nèi)進(jìn)行實驗，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，產(chǎn)生一定的力，帶動馬達(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，把兩個不同的物件連接在一起，因為它基本不發(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

5、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44.6 聲光調(diào)制的物理基礎(chǔ)超聲波的概念 聲光效應(yīng) 拉曼奈斯衍射 布拉格衍射 聲光調(diào)制 聲光偏轉(zhuǎn)4.6.2 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，會造成介質(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

6、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。4.6 聲光調(diào)制的物理基礎(chǔ)超聲波的概念 聲光效應(yīng) 拉曼奈斯衍射 布拉格衍射 聲光調(diào)制 聲光偏轉(zhuǎn)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，層間保持聲波波長一半（s/2）的距離，當(dāng)光通過這種分層結(jié)構(gòu)時，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

7、斯衍射布拉格衍射拉曼奈斯衍射 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kks時可以將聲光介質(zhì)看成一塊普通的位相光柵。 2、光束在介質(zhì)中傳播時，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。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s入射光L聲波陣面式中m為第m級衍射極值的偏角。拉曼奈斯衍射拉曼奈斯衍射時，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)

8、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。4.6 聲光調(diào)制的物理基礎(chǔ)超聲波的概念 聲光效應(yīng) 拉曼奈斯衍射 布拉格衍射1、布拉格條件2、聲光衍射的量子解釋3、聲光相互作用的理論分析 聲光調(diào)制 聲光偏轉(zhuǎn)4.6.4 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，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，因為布拉格衍射有著較高的轉(zhuǎn)換效率，所以它比拉曼奈斯衍射應(yīng)用更為廣泛

9、。結(jié)論4.6.4 布拉格衍射1、布拉格條件同一鏡面上任意兩點的貢獻(xiàn)應(yīng)同相(圖4-16)BCDAx入射光束衍射光束4.6.4 布拉格衍射1、布拉格條件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4.6.4 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、頻率為的一道光束可以看成是由動量k為和能量 (h/2，h為普郎克常數(shù))的粒子束(即光子)組成。同樣，聲波也可視為由動量k s和能

10、量 s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入射光子和一個聲子消失，同時沿散射光方向產(chǎn)生一個新的光子。 4.6.4 布拉格衍射2、聲光衍射的量子解釋能量守恒決定了衍射光的頻率動量守恒決定了衍射波的方向布拉格衍射波矢圖V入射光衍射光i入射光衍射光iVdikdkiksdikdkiks4.6.4 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，故可寫成兩個標(biāo)量方程：入射光衍射光4.6.4 布拉格衍射3、聲光相互作用的理論分析設(shè)該波動方程有如下形式的解：將解帶入標(biāo)量方程

11、，再注意到能量守恒和動量守恒，可得到耦合波方程：4.6.4 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i光束入射，且Ed(0)=0時，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，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。正是這一優(yōu)點使得布拉格聲光調(diào)制器件得到大量的應(yīng)用。4.6 聲光調(diào)制的物理基礎(chǔ)超聲波的概念 聲光效應(yīng) 拉曼奈斯衍射 布拉格衍射 聲光調(diào)制 聲光偏轉(zhuǎn)4.6.5 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。

12、4.6.5 聲光調(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)動電信號來實現(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。4.6.5 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tt00.514.6.5 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tt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

13、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，實現(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。4.6 聲光調(diào)制的物理基礎(chǔ)超聲波的概念 聲光效應(yīng) 拉曼奈斯衍射 布拉格衍射 聲光調(diào)制 聲光偏轉(zhuǎn)4.6.6 聲光偏轉(zhuǎn)布拉格衍射的前提是動量守恒4.6.6 聲光偏轉(zhuǎn) 聲波頻率（波矢）的改變將引起動量三角形的失配，結(jié)果是衍射光波的大小幾乎不變，但其方向

14、將向動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。 是聲波穿過光束直徑所花的時間，通常稱為偏轉(zhuǎn)器的偏轉(zhuǎn)時間。當(dāng)聲波從頻率1變?yōu)?時，由于聲波傳播需要一定的時間，開始時只是在聲波源附近的聲波頻率為2，因此只有此處的光波衍射角由1變?yōu)?。只有經(jīng)過后，整個光束截面上的聲波才能都變?yōu)轭l率2 ，衍射光束才能全部偏轉(zhuǎn)到2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？ 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

15、曼奈斯聲光調(diào)制器布拉格聲光調(diào)制器聲光偏轉(zhuǎn)聲光器件最新動態(tài) 美國國家健康研究院(NIH)的一個研究小組使用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4.7 磁光調(diào)制磁光效應(yīng) 線偏振光沿著光軸方向傳播時，不會產(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，會表現(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)了這個現(xiàn)象，因而也稱為法拉

16、第效應(yīng)。4.7 磁光調(diào)制磁光效應(yīng)法拉第效應(yīng)VB起偏器檢偏器入射光出射光 V 稱為費爾德常數(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0。這樣，光來回傳播同樣距離后，其振動面的轉(zhuǎn)角等于單程轉(zhuǎn)角的兩倍。 V 0左旋， V 0右旋。4.7 磁光調(diào)制磁光效應(yīng) 控制電壓，即可控制旋光角度，從而控制第二個偏振片后的光強(qiáng)，最終實現(xiàn)光調(diào)制。VB起偏器檢偏器入射光出射光時的V值介質(zhì)SiO2ZnS冕牌玻璃火石玻璃NaClV(rad/mT)4.0826.4239.6磁光材

17、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，旋光角度與正向入射時相反，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，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)點是：工作所需功率低，受溫度影響小，缺點是僅適用于紅外波段。實際上，磁光器件更多地用在光隔離器、光存儲器等方面。磁光效應(yīng)的應(yīng)

18、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)計薄層的厚度使得，不加電壓時，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，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)動電壓低、串?dāng)_小等優(yōu)

19、勢。 磁光開關(guān)設(shè)計原理 法拉第效應(yīng) 線偏振光沿外加磁場方向通過介質(zhì)時偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn) 。晶體的選擇 1磁旋光率要盡可能的大。2磁光晶體的外加飽和磁場要盡可能的小。3. 磁光晶體的各項參數(shù)的溫度穩(wěn)定性能，要求飽和外場強(qiáng)、法拉第旋轉(zhuǎn)角以及插入損耗等等在-10100內(nèi)保持穩(wěn)定。 方案利用1偏振棱鏡、2garnet以及3反射光路 由輸入光纖出射的光經(jīng)過雙折射晶體后分為偏振方向相互垂直的o、e光，如果兩塊garnet加正向電壓時，透射光偏振面正向旋轉(zhuǎn)45，再加上正轉(zhuǎn)45膜的作用，一共正向旋轉(zhuǎn)90，這時o、e光偏振態(tài)互換，結(jié)果這兩束光經(jīng)過偏振棱鏡的對角線時分別反射一次，透射一次 ，IN1OUT2,IN2OUT1；如果兩塊garnet加負(fù)電壓時，透射光偏振面反向旋轉(zhuǎn)45