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超聲波通過介質時會造成介質的局部壓縮和伸長而產生彈性應變,該應變隨時間和空間作周期性變化,使介質出現疏密相間的現象,如同一個相位光柵 。當光通過這一受到超聲波擾動的介質時就會發生衍射現象,這種現象稱之為聲光效應。

聲光效應聲光效應
超聲波通過介質時會造成介質的局部壓縮和伸長而產生彈性應變,該應變隨時間和空間作周期性變化,使介質出現疏密相間的現象,如同一個相位光柵 。當光通過這一受到超聲波擾動的介質時就會發生衍射現象,這種現象稱之為聲光效應。  

1 聲光效應 -原理

聲光效應聲光效應
聲光效應
就是研究光通過聲波擾動的介質時發生散射或衍射的現象。由於彈光效應,當超聲縱波以行波形式在介質中傳播時會使介質折射率產生正弦或餘弦規律變化,並隨超聲波一起傳播,當激光通過此介質時,就會發生光的衍射,即聲光衍射。衍射光的強度、頻率、方向等都隨著超聲波場而變化。其中衍射光偏轉角隨超聲波頻率的變化現象稱為聲光偏轉;衍射光強度隨超聲波功率而變化的現象稱為聲光調製
  
主要用途有:製作聲光調製器件,製作聲光偏轉器件,聲光調Q開關,可調諧濾光器,在光信號處理和集成光通訊方面的應用。
  
聲光衍射
可以分為拉曼-拉斯(Ranman-Nath)衍射和布拉格(Bragg)衍射兩種情況。本實驗室主要研究鉬酸鉛晶體介質中的布拉格衍射現象。
  
布拉格方程:θB=sinθB=λfs/2nvs ,其中θB 為布拉格角,λ為激光波長,n為介質折射率,vs 為超聲波在介質中的速率。由此知不同的頻率對應不同的偏轉角φ=2θB,所以可以通過改變超聲波頻率實現聲光偏轉。
  
布拉格一級衍射效率為:η1=I1/Ii=sin2((π/λ).(LM2Ps/2H)1/2) ,其中Ps為超聲波功率,M2為聲光材料的品質因素,L、H分別表示換能器的長和寬。由此知當超聲功率改變時,η1也隨之改變,因而可實現聲光調製。  

2 聲光效應 -內容

當超聲波傳過介質時,在其內產生周期性彈性形變,從而使介質的折射率產生周期性變化,相當於一個移動的相位光柵,稱為聲光效應。若同時有光傳過介質,光將被相位光柵所衍射,稱為聲光衍射。利用聲光衍射效應製成的器件,稱為聲光器件。聲光器件能快速有效地控制激光束的強度、方向和頻率,還可把電信號實時轉換為光信號。此外,聲光衍射還是探測材料聲學性質的主要手段。  
  
1922年,L.N.布里淵在理論上預言了聲光衍射;1932年P.J.W.德拜和F.W.席爾斯以及R.盧卡斯和P.比夸特分別觀察到了聲光衍射現象。從1966年到1976年期間,聲光衍射理論、新聲光材料及高性能聲光器件的設計和製造工藝都得到迅速發展。1970年,實現了聲表面波對導光波的聲光衍射,並研製成功表面(或薄膜)聲光器件。1976年後,隨著聲光技術的發展,聲光信號處理已成為光信號處理的一個分支。
  

3 聲光效應 -基本理論

聲光效應聲光效應
彈性形變所引起的介質折射率變化可以寫成

聲光效應

式中n為介質的折射率,S為介質形變的程度,p為聲光(或彈光)係數(由材料性質決定)。聲光衍射的特性與聲光互作用長度L的大小有關(圖1)。聲光衍射特徵長度的定義為

聲光效應
     聲光效應

式中λλ0/n為介質中光波波長(λ0為真空中波長),聲光效應為超聲波波長(v為聲速,f為頻率)。由上式可見,在高頻工作時,L0很小。
  
喇曼-奈斯衍射 
 要求滿足條件聲光效應,相當於平面光柵。此種衍射的特點是:①對入射光方向無嚴格要求,一般取垂直入射;②衍射光有許多級(圖1a),第m級衍射光的方向和衍射效率為

聲光效應

式中Ii為入射光光強;V呏(2π/λ0)墹nL,稱為聲光相移;Jm是第m階貝塞爾函數。當V=1.84弧度時,J1(V)達到最大,並有η聲光效應=0.339=33.9%,高級衍射的效率更低。
  
布喇格衍射 
 要求滿足條件L≥2L0,相當於體光柵。此種衍射的特點是:①只有當入射光方向滿足一定條件時,才有顯著的聲光衍射;②衍射光或者只有+1級或者只有-1級(圖1b),並分別稱為±1級布喇格衍射。入射光和衍射光方向以及衍射效率為

聲光效應

式中θiθd分別為入射光和衍射光與超聲波波面的夾角,θB為布喇格角。布喇格衍射只出現一束衍射光,且η可高達100%(V=π時),故在實用上一般都采布喇格衍射。
  
聲光器件  在實際器件中,超聲波是由壓電換能器激發,聲光互作用介質和壓電換能器相結合即為聲光器件(圖2)。聲光器件分為兩類。①體聲光器件:聲波和光波均在介質體內傳播,聲光互作用介質和壓電換能器常用銦、錫或鋁等軟金屬材料,通過真空冷壓焊工藝粘合在一起。②表面(或薄膜)聲光器件:聲波為沿介質表面傳播的聲表面波,光波則為在平面光波導中傳播的導光波。這時,聲光介質和壓電材料融為一體,襯底材料必須既具有聲光效應又具有壓電效應,常用的材料有Y切鈮酸鋰,而叉指換能器只需在材料表面蒸鍍叉指狀電極。

聲光效應

  
聲光調製器  根據聲光調製原理製成的器件。聲致相移V和超聲功率Pa之間的關係為

聲光效應

式中M2n6p2/ρV3(ρ為介質的密度)是由聲光材料性質決定的物理量,稱為聲光優值。由式(2)和(3)可見,改變Pa(實際是改變加在壓電換能器上的電信號功率)即可改變ηId的值。當V較小時,sin(V/2)≈V/2,易得η≈(V/2)2Pa,即可實現線性調製。
  
聲光偏轉器  根據聲光偏轉原理製成的器件。由圖1b可見,偏轉角(即衍射光與入射光之間的夾角)α=θi+θd,把式(1)代入,即得

聲光效應

改變加在壓電換能器上的電信號的頻率f,即可改變衍射光的方向。
  
聲光移頻器 
 由於超聲波是向前傳播的,聲光衍射時光將發生多普勒頻移。對於 ±1級布喇格衍射,ωd=ωi±Ω,式中ωiωdΩ分別為入射光、衍射光和超聲波的圓頻率。改變電信號的頻率f=Ω/2π,即可改變衍射光的頻率。
  
聲光可調濾光器 
 例如入射光具有複雜的光譜成分(即包括許多不同波長的光),式(1)可改寫成θi=λf/2V。當θi一定時,λf為常數。相對地改變電信號頻率f,波長不同的光將相應地分別被聲光衍射取出。

4 聲光效應 -實驗儀器

有半導體激光器、聲光器件及轉角平台、超聲波功率信號源、頻率計、光強儀、示波器、光具座、支架、導線等附件。各儀器原理、具體型號及參數見聲光效應實驗講義。 

5 聲光效應 -實驗內容

① 按照實驗講義完成實驗儀器的連接。
  
② 打開激光器、光強儀、示波器,調節光路,直至在示波器上顯示一穩定完整的單峰波形。
  
③ 接著打開功率信號源,微調轉角平台,直至示波器上顯示出布拉格衍射的零、一級衍射圖像即一個良好的雙峰波形。
  
④ 最後測量聲光偏轉和聲光調製曲線;
  
⑤ 為了獲得理想波形,有時需要反覆調節激光器、轉角平台、光強儀等。  

6 聲光效應 -注意事項

在嚴格執行實驗步驟的條件下,注意以下幾點:
  
①盡量避免地面、桌面、光具座等的震動;
  
②記錄數據的過程中,所有數據必須是在相同y軸倍率下測得;
  
③無飽和失真現象;無小毛刺;
  
④衍射波形不穩定時要等波形較穩定后再讀數;
  
⑤背景光、電壓也會對實驗現象造成一定影響,應盡量避免。

7 聲光效應 -參考資料

1.http://cne.csu.edu.cn/physlab/xyjx/shiyanzhidao/23/23.htm
2.http://zhidao.baidu.com/question/5445046.html
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