最新光电子技术声光调制和声光偏转教学讲义PPT.ppt

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1、光电子技术声光调制和声光偏转4.6.1超声波的概念世界因为有了声音而充满欢乐。我们平常听到的各种声音只是声音世界中的一部分，范围在20赫兹至20000赫兹之间，而20000赫兹以上的声音是超声，尽管听不到，却很有意义。超声波有两个特点，一个是能量大，一个是沿直线传播。它的应用就是按照这两个特点展开的。理论研究表明，在振幅相同的情况下，一个物体振动的能量跟振动频率的二次方成正比．超声波在介质中传播时，介质质点振动的频率很高，因而能量很大。超声波的应用1蝙蝠非常善于使用超声。它们用喉头发出20千赫至120千赫之间的超声啾鸣，用耳朵接收障碍物的反射回波，

2、以这个回波来判断猎物的距离、方位、形状和速度。那份灵巧和精确让人瞠目。模仿蝙蝠使用超声的道理，人类发明了声纳这种装在船只及潜艇上的装置。靠超声在水中传播时碰到物体产生回波，来测定距离，确定位置。能发现对手，或保证航行安全。合成孔径声纳可以用于海底测量，水下考古和搜寻水下失落物体等，尤其可以进行高分辨海底测绘，对数字地球研究具有重要的意义。超声波的应用44.6声光调制的物理基础4.6.1超声波的概念4.6.2声光效应4.6.3拉曼——奈斯衍射4.6.4布拉格衍射4.6.5声光调制4.6.6声光偏转4.6.2声光效应晶体光学性质的变化，不仅可以通过外加

3、电场的作用实现，外力的作用也能够造成折射率的改变。弹光效应：由于外力作用而引起介质光学性质变化的现象。声波作为一种弹性波，在晶体中传播时，会造成介质密度的疏密变化，使得介质的折射率分布也随之改变。声光效应：由于声波作用而引起光学性质变化的现象，声光效应是弹光效应的一种。声光效应与电光效应相似之处：晶体在受到外部作用后，才出现光学性质的变化，具体表现为折射率的分布发生改变。区别：电光效应中，外加电场的加入是起因。声光效应中，造成折射率变化的因素是应变或应力。4.6声光调制的物理基础4.6.1超声波的概念4.6.2声光效应4.6.3拉曼——奈斯衍射4.

4、6.4布拉格衍射4.6.5声光调制4.6.6声光偏转4.6.3拉曼——奈斯衍射1、声光衍射的定性描述：在晶体中传播的超声波，会造成晶体的局部压缩或伸长，这种由于机械应力引起的弹光效应使晶体的介电常量发生变化，因而折射率也发生变化。2、在介质中形成了周期性的有不同折射率的间隔层，这些层以声速运动，层间保持声波波长一半（λs/2）的距离，当光通过这种分层结构时，就发生衍射，引起光强度、频率和方向随超声场的变化。声光衍射根据光波波长、声波波长，以及相互作用区域的长度等因素，将声光衍射分为：拉曼——奈斯衍射布拉格衍射4.6.3拉曼——奈斯衍射1、在低声频和

5、声波束的宽度（即声光相互作用）L不大的情况下且k⊥ks时可以将声光介质看成一块普通的位相光栅。2、光束在介质中传播时，由于折射率随介质密度的变化，使得出射光波的波前已不再是平面波的波面，而是波浪状曲面。波面上的各点作为次波源，发出子波在空间相互干涉而形成多级衍射条纹。这种类似于普通面光栅的作用而产生的声光衍射，就称为拉曼——奈斯衍射。4.6.3拉曼——奈斯衍射对于垂直入射情形，相对于0度方向的衍射极值角度方向由公式λs入射光Lλ声波阵面式中θm为第m级衍射极值的偏角。4.6.3拉曼——奈斯衍射拉曼—奈斯衍射时，入射光在相互作用区内部的传播方向仍保持

6、直线方向，而与折射率变化有关的介质的光学不均匀性只对通过声柱的光的相位发生影响。声波的作用可归结为形成以声速运动的、周期等于声波周期的相位光栅，因而这种衍射遵循普通相位光栅的衍射定律。4.6声光调制的物理基础4.6.1超声波的概念4.6.2声光效应4.6.3拉曼——奈斯衍射4.6.4布拉格衍射1、布拉格条件2、声光衍射的量子解释3、声光相互作用的理论分析4.6.5声光调制4.6.6声光偏转4.6.4布拉格衍射在高声频和相互作用长度较大的情况下，并且光束与声波波面成一定角度入射时，发生布拉格衍射。其衍射光谱只出现零级和+1级或零级和-1级。如果参数选

7、择合适，超声功率足够强，入射光几乎可以全部转移到+1级或-1级上，因为布拉格衍射有着较高的转换效率，所以它比拉曼—奈斯衍射应用更为广泛。结论4.6.4布拉格衍射1、布拉格条件①同一镜面上任意两点的贡献应同相(图4-16)BCDAx入射光束衍射光束4.6.4布拉格衍射1、布拉格条件②相邻两镜面的反射光的相位应该相同（图4-17）布拉格衍射公式拉曼—奈斯衍射与布拉格衍射的界定拉曼—奈斯衍射与布拉格衍射的判断依据声光相互作用特征长度L0来表示：拉曼—奈斯衍射布拉格衍射4.6.4布拉格衍射2、声光衍射的量子解释根据光和声的波粒二象性，可得知许多声波对光都具

8、有产生布喇格衍射的特性。据此模型，具有传播矢量k、频率为ω的一道光束可以看成是由动量ħk为和能量ħω(ħ＝h/2π，h为普