声光调制技术.doc

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1、声光调制技术超声波是一种纵向机械应力波（弹性波）。若把这种应力波作用到声光介质中时会引起介质密度呈疏密周期性变化，使介质的折射率也发生相应的周期性变化，这样声光介质在超声场的作用下，就变成了一个等效的相位光栅，如果激光作用在该光栅上，就会产生衍射。衍射光的强度、频率和方向将随超声场而变化。所谓“声光调制器”就是利用这一原理而实现光束调制或偏转的。　　1．声光作用原理。　　（1）超声波在声光介质中的作用。声波在介质中传播分为行波和驻波两种形式。行波所形成的声光栅其栅面是在空间移动的。介质折射率的增大和减小是交

2、替变化的，并且以超声波的速度Vs向前推进，其折射率的瞬时空间变化为：　　Δn(z.t)=Δnsin(wst-Ksz)　　　　　　（20－50）　　式中ws为超声波角频率。　　在声光介质中，两列相向而行的超声波（其波长、相位和振幅均相同）产生叠加，在空间将形成超声驻波。声驻波形成的声光栅在空间是固定的，其相位变化与时间成正弦关系。　　方程为：　　a1(z,t)=Asin2π(t/Ts-z/λs)　　a2(z,t)=Asin2π(t/Ts-z/λs)　　　　（20－51）　　叠加后合成声波方程为：　　a(z,t

3、)=a1(z,t)+a2(z,t)=2Acos2πz/λs?sin2πt/Ts　　（20－52）　　由上式可知，超声波其振幅为2Acos2πz/λ，在z轴上各点不同，但振荡相位在z轴上各点均相同，不随空间位置变化。所以超声驻波的波腹与波节在介质中的位置将不随时间变化，因此由超声驻波形成的相位光栅是固定在空间的，其折射率的变化可表示为：　　Δn(z.t)=2Δnsin(wst.sinKsz　　　　（20－53）　　（2）声光作用。按照超声波频率和声光介质厚度的不同，将声光作用可以分为两种类型，即喇曼－奈斯衍射

4、和布喇格衍射。　　①喇曼－奈斯衍射。在超声波频率较低，且声光介质的厚度L又比较小的情况下，当激光垂直于超声场的传播方向入射到声光介质中时，将产生明显的喇曼－奈斯声光衍射现象。在这种情况下，超声光栅类似于平面光栅，当光通过时，将产生多级衍射，而且各级衍射的极大值对称分布在零级条纹的两侧，其强度依次递减。　　设超声波波长为λs，波矢量Ks指向x正方向，而入射光波矢量Ki指向y轴正方向，两者呈正交。　　当应变较小时，并暂时略去时间t的依赖关系，则折射率随空间位置x的变化关系为：　　n(x)=n0-ΔnsinKsx

5、　　　　　　　　　　（20－54）　　由于介质的折射率发生周期性变化，所以会对入射光束的相位进行调制。出射的光波已不再是平面波，其等相面是一个由n(x)决定的皱折曲面。其各级极大值的衍射角θ应满足公式：　　λssinθ=±mλ　　　　　　　　　　　　　　　　（20－55）　　式中λs为超声波波长；λ为入射光波长。　　其各级衍射的光强值为：　　Im=Jm2(v)　　　　　　　　（20－56）　　v=2π/λΔnL　　上式中Jm2(v)为m阶贝塞尔函数；v表示由于折射率变化Δn而引起的被调制光束的相位变化。　　

6、②布喇格衍射。当超声波频率较高，且声光介质较厚时，入射光线以一定角度（θi）入射，则产生布喇格声光衍射。布喇格声光衍射的衍射光不是对称分布的，当光以某一特定角度入射时，较高阶衍射可以忽略，只出现零级和＋1级或－1级（视入射光方向而定）衍射光。若能合理选择参数，超声波足够强，可使入射光能量较集中地转移到零级和＋1级（或－1级）衍射极大值上。因而光束能量可以得到充分的利用，获得较高的效率。　　为了讨论布喇格衍射条件，我们可以将超声场作用的声光介质，近似比拟为间隔为λs的一系列反射镜面，光入射镜面上时，将产生部分

7、反射和部分透射。当光束以入射角θi射入声光介质中时，由镜面产生反射，而衍射光干涉，极大值应满足条件：Δ=mλ(m=0、±1、±2……）。　　2．声光调制器。声光调制器是由声光介质、电声换能器、吸声（或反射）装置及驱动电源等组成。　　（1）声光介质。声光介质是声光相互作用的场所，常用的声光材料有液体、玻璃和无晶体等。表20－2列出了常用几种声光介质材料及其物理性能。　　表20－2常用声光介质材料及性能声光介质材料的性能对调制器的质量有直接的影响。因此合理选择声光材料是很重要的。主要应考虑以下几方面因素：　　①

8、提高调制效率，减小声功率。调制器的调制效率是用调制后的光强（即衍射光强）与入射光强的比值来表征。即　　η=I/Ii=sin2(v/2)　　　　　　　　（20－63）　　式中v表示由于折射率变化Δn而引起的被调制光的相位变化。即　　v=π(2/λ2.(L/b).(n6.p2/pvs3)Pλ)1/2=π(2/λ2(L/b)M2Pλ)1/2（20－64）　　式中：b为声场宽度；Pλ为声功率；P为光弹系数；p为密度；n为