光電測試技術(shù)光輻射的傳播聲光晶體

光電測試技術(shù)課件光輻射的傳播聲光晶體1第一頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期五

聲波是一種彈性波(縱向應(yīng)力波)，在介質(zhì)中傳播時，使介質(zhì)產(chǎn)生彈性形變，從而激起介質(zhì)中各質(zhì)點(diǎn)沿聲波的傳播方向振動，引起介質(zhì)的密度呈疏密相間的交替分布，因此，介質(zhì)的折射率也隨著發(fā)生相應(yīng)的周期性變化。這如同一個光學(xué)“相位光柵”，光柵常數(shù)等于聲波長s。當(dāng)光波通過此介質(zhì)時，會產(chǎn)生光的衍射。衍射光的強(qiáng)度、頻率、方向等都隨著超聲場的變化而變化。1.聲波2第二頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期五聲波在介質(zhì)中傳播分為行波和駐波兩種形式。與普通光柵相比，其不同在于不存在不透光部分，每一部分都有光透過，但其折射率不同。3第三頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期五超聲波

當(dāng)物體振動時會發(fā)出聲音。科學(xué)家們將每秒鐘振動的次數(shù)稱為聲音的頻率，它的單位是赫茲。我們?nèi)祟惗淠苈牭降穆暡l率為20～20，000赫茲。因此，當(dāng)物體的振動超過一定的頻率，即高于人耳聽閾上限時，人們便聽不出來了，這樣的聲波稱為“超聲波”。通常用于醫(yī)學(xué)診斷的超聲波頻率為1～5兆赫。超聲波具有方向性好，穿透能力強(qiáng)，易于獲得較集中的聲能，在水中傳播距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)?？捎糜跍y距，測速，清洗，焊接，碎石等。4第四頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期五

人類直到第一次世界大戰(zhàn)才學(xué)會利用超聲波，這就是利用“聲納”的原理來探測水中目標(biāo)及其狀態(tài)，如潛艇的位置等：人們向水中發(fā)出一系列不同頻率的超聲波，然后記錄與處理反射回聲，從回聲的特征我們便可以估計(jì)出探測物的距離、形態(tài)及其動態(tài)改變。醫(yī)學(xué)上最早利用超聲波是在1942年，奧地利醫(yī)生杜西克首次用超聲技術(shù)掃描腦部結(jié)構(gòu)；以后到了60年代醫(yī)生們開始將超聲波應(yīng)用于腹部器官的探測。如今超聲波掃描技術(shù)已成為現(xiàn)代醫(yī)學(xué)診斷不可缺少的工具。5第五頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期五什么是駐波？振動頻率、振幅和傳播速度相同而傳播方向相反的兩列波疊加時，就產(chǎn)生駐波。比如水波碰到岸邊反射回來時，前進(jìn)和反射波的疊合就產(chǎn)生駐波。駐波形成時，空間各處的介質(zhì)點(diǎn)或物理量只在原位置附近做振動，波停駐不前，而沒有行波的感覺，所以稱為駐波。形成駐波時，各處介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)或物理量以不同的振幅振動。振幅最大處叫波腹，振幅最小處即看上去靜止不動處叫波節(jié)。相鄰兩個波節(jié)或波腹之間的距離是半個波長。6第六頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期五

駐波的形成7第七頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期五2.彈光效應(yīng)定義：介質(zhì)中的彈光效應(yīng)是指機(jī)械形變S致使光折射率n發(fā)生相應(yīng)的變化物理機(jī)制：介質(zhì)在應(yīng)力作用下發(fā)生形變時，分子間的相互作用力發(fā)生改變，導(dǎo)致介電常數(shù)（折射率）的改變，從而影響光波在介質(zhì)中的傳播特性。8第八頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期五考慮到的對稱性，折射率的變化為：9第九頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期五折射率橢球的形變折射率橢球變?yōu)椋簭椆庀禂?shù)張量以熔融石英為例，假設(shè)只有x

方向有伸縮應(yīng)變：10第十頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期五加應(yīng)變的x

方向?yàn)楣廨S方向感應(yīng)折射率為：彈光效應(yīng)：聲場作用—形變—附加電極化—折射率改變11第十一頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期五1、相位柵類型

超聲行波的瞬時相位柵nxn0nsvs圖1超聲行波在介質(zhì)中的傳播

如圖1所示,設(shè)聲波的角頻率為s，波矢為，則沿x方向聲波方程和介質(zhì)的折射率變化為:

密的地方折射率大疏的地方折射率小應(yīng)變場：12第十二頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期五介質(zhì)折射率分布為:S為超聲波引起介質(zhì)產(chǎn)生的應(yīng)變；P為材料的彈光系數(shù),。

由于聲速僅為光速的數(shù)十萬分之一，所以對光波來說，運(yùn)動的“聲光柵”可以看作是靜止的（st近似看作不變）。13第十三頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期五駐波方程正向負(fù)向14第十四頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期五超聲駐波形成瞬時相位柵如圖2所示，超聲駐波形成的折射率變化為：sxa圖2超聲駐波若超聲頻率為fs，那么光柵出現(xiàn)和消失的次數(shù)則為2fs，因而光波通過該介質(zhì)后所得到的調(diào)制光的調(diào)制頻率將為聲頻率的兩倍。

15第十五頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期五

駐波16第十六頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期五二、聲光衍射

按照聲波頻率的高低以及聲波和光波作用長度的不同，聲光相互作用可以分為拉曼-納斯衍射和布喇格衍射兩種類型。1、拉曼-納斯衍射

產(chǎn)生拉曼-納斯衍射的條件：當(dāng)超聲波頻率較低，光波平行于聲波面入射，聲光互作用長度L較短時，在光波通過介質(zhì)的時間內(nèi)，折射率的變化可以忽略不計(jì)，則聲光介質(zhì)可近似看作為相對靜止的“平面相位柵”。

17第十七頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期五當(dāng)光波平行通過介質(zhì)時，幾乎不通過聲波面，因此只受到相位調(diào)制。即通過光密部分的光波波陣面將延遲，而通過光疏部分的光波波陣面將超前，于是通過聲光介質(zhì)的平面波波陣面出現(xiàn)凸凹現(xiàn)象，變成一個折皺曲面。入射光sLxy聲波陣面聲波光波陣面圖3拉曼-納斯衍射圖衍射光18第十八頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期五

拉曼-納斯衍射的特點(diǎn)：由出射波陣面上各子波源發(fā)出的次波將發(fā)生相干作用，形成與入射方向?qū)ΨQ分布的多級衍射光。

+b/2-b/2ki-L/2cos-1l+L/2xd=xlksy圖4垂直入射情況

設(shè)寬度為b的光波垂直入射寬度為L聲波柱，如圖4所示。則在聲場外P點(diǎn)處總的衍射光強(qiáng)是所有子波源貢獻(xiàn)的和。衍射方向及光強(qiáng)的分布：19第十九頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期五Raman—Nath衍射

（以熔融石英為例）平面縱聲波沿x方向，聲波波束寬度為L質(zhì)點(diǎn)位移：應(yīng)變場：單色平面光波，y方向偏振，沿z方向傳輸相應(yīng)折射率：光波波陣面聲波波陣面與聲場無關(guān)與聲場有關(guān)20第二十頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期五（到中心）（到子波源dx）（程差）參照物理光學(xué)的方法，求遠(yuǎn)場P處的光強(qiáng)將z=L

處的波陣面分成許多子波元dx,子波元dx

對P點(diǎn)處光場的貢獻(xiàn)入射場聲光介質(zhì)中空氣中與dx

大小成比例與x

無關(guān)與x

有關(guān)P點(diǎn)處光強(qiáng)為從到的積分21第二十一頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期五其中歐拉公式積分結(jié)果函數(shù)Bessell函數(shù)公式偶階奇階22第二十二頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期五式中，Jr(v)是r階貝塞爾函數(shù)；l=sin

，。衍射光場強(qiáng)度各項(xiàng)取極大值的條件為：23第二十三頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期五各級衍射的方位角為

各級衍射光的強(qiáng)度為由于，故各級衍射光對稱地分布在零級衍射光兩側(cè)，且同級次衍射光的強(qiáng)度相等。24第二十四頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期五應(yīng)該注意到：

由于，表明無吸收時衍射光各級極值光強(qiáng)之和應(yīng)等于入射光強(qiáng)，即光功率是守恒的。

由于光波與聲波場的作用，各級衍射光波將產(chǎn)生多普勒頻移，應(yīng)有。

以上推導(dǎo)是在理想的面光柵條件下進(jìn)行的，忽略了各衍射光的相互影響，考慮到聲束的寬度，則當(dāng)光波傳播方向上聲束的寬度L滿足條件，才會產(chǎn)生多級衍射，否則從多級衍射過渡到單級衍射。

25第二十五頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期五2、布喇格衍射產(chǎn)生布喇格衍射條件：聲波頻率較高，聲光作用長度L較大，光束與聲波波面間以一定的角度斜入射，介質(zhì)具有“體光柵”的性質(zhì)。

布喇格衍射的特點(diǎn)：衍射光各高級次衍射光將互相抵消，只出現(xiàn)0級和+1級（或1級）衍射光，如圖5所示。s入射光i衍射光i+s2非衍射光圖5布喇格聲光衍射聲波26第二十六頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期五若能合理選擇參數(shù)，并使超聲場足夠強(qiáng)，可使入射光能量幾乎全部轉(zhuǎn)移到+1級（或1級）衍射極值上。因此，利用布喇格衍射效應(yīng)制成的聲光器件可以獲得較高的效率。衍射光圖6產(chǎn)生布喇格衍射條件的模型入射光x12衍射光12sidBCx(a)入射光

23xsCEid23(b)ADGF27第二十七頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期五

入射光1和2在B，C點(diǎn)反射的1和2同相位，則光程差A(yù)C-BD等于光波波長的整倍數(shù)要使聲波面上所有點(diǎn)同時滿足這一條件，只有使

由C，E點(diǎn)反射的2，3同相位，則光程差FE＋EG必須等于光波波長的整數(shù)倍28第二十八頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期五考慮到，所以B稱為布喇格角。可見，只有入射角i等于布喇格角B時，在聲波面上衍射的光波才具有同相位，滿足相干加強(qiáng)的條件，得到衍射極值，上式稱為布喇格方程。

29第二十九頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期五布喇格衍射光強(qiáng)度與聲光材料特性和聲場強(qiáng)度的關(guān)系

當(dāng)入射光強(qiáng)為Ii時，布喇格聲光衍射的0級和1級衍射光強(qiáng)的表達(dá)式可分別寫成

:式中：光波穿過長度為L的超聲場產(chǎn)生的附加相位延遲。30第三十頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期五衍射效率為：式中，是聲光介質(zhì)的物理參數(shù)組合，是由介質(zhì)本身性質(zhì)決定的量，稱為聲光材料的品質(zhì)因數(shù)（或聲光優(yōu)質(zhì)指標(biāo)），它是選擇聲光介質(zhì)的主要指標(biāo)之一；Ps

超聲功率；H為換能器的寬度，L為換能器的長度。

31第三十一頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期五相關(guān)結(jié)論：

若在超聲功率Ps

一定的情況下，要使衍射光強(qiáng)盡量大，則要求選擇M2

大的材料，并要把換能器做成長而窄（即L大H?。┑男问?；

當(dāng)超聲功率Ps足夠大，使達(dá)到/2時，I1/Ii＝100%；

當(dāng)改變超聲功率Ps時，I1/Ii也隨之改變，因而通過控制超聲功率Ps（即控制加在電聲換能器上的電功率）就可以達(dá)到控制衍射光強(qiáng)的目的，實(shí)現(xiàn)聲光調(diào)制。

32第三十二頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期五判據(jù)，什么時候看作體光柵，什么時候看作面光柵？光柵模型：光密層，全不透光光疏層，全透光厚度分別為當(dāng)光偏離正入射且時，上半部分和下半部分的光程差,由同一光疏層得到的光最弱；

當(dāng)長度后，相鄰兩光疏層輸出的光不能相遇；則有RamanNath衍射Bragg衍射由圖由33第三十三頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期五1、光柵的定義廣義地說，具有周期性的空間結(jié)構(gòu)或光學(xué)性能（如透射率、折射率）的衍射屏，統(tǒng)稱為光柵。34第三十四頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期五2、常見的光柵種類（1）在一塊不透明的障板上刻出一系列等寬等間隔的平行狹縫——一維透射光柵。（2）在一塊很平的鋁面上刻一系列等間隔的平行槽紋——反射光柵。35第三十五頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期五

（3）晶體由于內(nèi)部原子排列