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1、,光电子技术 Photoelectronic Technique 第五讲 光波在声光晶体中的传播 周自刚,本讲主要内容,35,一、声光栅,三、拉曼-纳斯衍射,四、布拉格衍射,二、声致折射率变化,当光波和声波同时射到晶体上时，声波和光波之间将会产生相互作用，从而可用于控制光束，如使光束发生偏转、使光强和频率发生变化等，这种晶体称为声光晶体（ Acoustic Optical Crystal ）。,二氧化碲晶体,1、声光晶体,一、声光栅,34,1、声光晶体,一、声光栅,材料：钼酸铅(PbMoO4)、二氧化碲 (TeO2)、硫代砷酸砣(Tl3AsS4)等。 器件: 声光偏转器、声光调制器、声光滤波器
2、等。 功能：脉冲压缩、射频频谱分析等。 应用：激光雷达、电视、屏幕显示扫描、光存储器、激光通信等。,33,2、声光效应,一、声光栅,声波在介质中传播时，由于弹性应变，其折射率随空间和时间周期地变化，光通过介质时会发生衍射（或散射），这种现象称为声光效应。,声光效应包含三层含义： 1) 在介质中必须存在超声场。 2) 弹光效应。 3) 光被介质中的超声波场衍射（或散射）。,32,3、弹光效应,一、声光栅,当介质中有超声波传播时，由于超声波是弹性波，在介质中产生随时间和空间周期变化的弹性应变，因而介质中各点的折射率就会随着该点上的弹性应变而发生相应的改变，光被介质衍射或散射。,超声波弹性力弹性应变
3、正弦相位光栅光衍射光的传播特性变化,31,介质折射率也随着周期性变化。,4、声光栅,一、声光栅,30,声波是一种弹性波（纵向应力波），使介质产生弹性形变，激起各质点沿声波的传播方向振动，引起介质的密度呈疏密相间的交替变化。,超声场作用像一个光学的“相位光栅”，该光栅间距(光栅常数)等于声波波长s。当光波通过此介质时，就会产生光的衍射。其衍射光的强度、频率、方向等都随着超声场的变化而变化。,4、声光栅,一、声光栅,行波,驻波,由声速为光速(108m)的数十万分之一，运动的“声光栅”可以看作是静止的。声波的角频率为s，波矢为ks(2/ s)。,29,1、超声行波,声波的方程为,应变：位移在x方向变
4、化率，即单位长度伸长量。,S0弹性应变振幅( )， ks超声波的波失，s超声波的频率,二、声致折射率变化,28,二、声致折射率变化,根据弹性应变和折射率变化的关系,P弹光系数,声波传播使折射率变化的最大值是由P，S0决定。 n折射率变化的瞬时值，是时间和坐标的函数。,1、超声行波,27,二、声致折射率变化,介质折射率随时间变化的函数：,n-不存在超声波时的折射率。,1、超声行波,26,二、声致折射率变化,假设参数相同的两列波，应变为：,则合成声波方程,-声波的周期， -声波的波长,2、超声驻波,25,各点的振动达到最大位移。在波节处介质的密度变化最大n最大。这时，介质的折射率变化最大，在一周期
5、的其他时间，折射率变化介于最大和零之间。,二、声致折射率变化,2、超声驻波,24,（1） 在一周期内的折射率变化,二、声致折射率变化,2、超声驻波,23,（2）折射率变化的频率2fs,二、声致折射率变化,（3） 声光栅在空间固定不变,2、超声驻波,22,二、声致折射率变化,结 论,对于行波，相位光栅的变化频率为fs。,对于驻波，在T时间内t=0，T/2，T 各点不振动时，这时无相位光栅，即相位光栅出现的频率为2fs。,21,光波进入声光晶体的方式对光波有何影响？,入射光波,入射波,20,按照声波频率的高低，光波入射的方式，以及声波和光波作用长度的长短，声光互作用可分为拉曼纳斯(RamanNat
6、h)衍射和布拉格(Bragg)衍射。,超声波频率较低，光波垂直入射声场传播方向，声光互作用长度L较短。 拉曼纳斯型衍射,声光晶体中两种主要衍射方式,19,超声波频率较高，光波倾斜入射声场传播方向，声光互作用长度L较长。 布拉格型衍射,因为s，当光平行通过介质时，几乎不通过声波面。 因此通过光学稠密(折射率大)部分的光波波阵面将推迟，而通过疏松(折射率小)的光波波阵面将超前，于是通过声光介质的平面波波阵面出现凸凹现象，变成一个折皱曲面。,三、拉曼-纳斯衍射,1 平面波阵面入射的变化,18,三、拉曼-纳斯衍射,如果超声波使介质的应变为,所以行波折射率变化,n变化使折射率变成正弦相位光栅，当一束平行
7、光入射到介质上且垂直超声波的传播方向。,入射波,L,1 平面波阵面入射的变化,17,假定：光入射到晶体界面上，即 面上，入射波为平面波,三、拉曼-纳斯衍射,光通过超声介质后得到附加相位为,所以在的 面上射出的电磁波是,入射波,L,1 平面波阵面入射的变化,16,三、拉曼-纳斯衍射,由于n（x，t）是坐标x的函数，因而在 的面上不同x坐标点其相位不同，出射光波的等相位面是一个由n(x，t)决定的曲面。出射的光将会产生多级衍射光。,根据基础光学衍射公式则在很远的屏上某点p给出的光振幅为,1 平面波阵面入射的变化,15,如果不考虑对时间的依赖关系，对积分无贡献，对坐标x积分,三、拉曼-纳斯衍射,1
8、平面波阵面入射的变化,14,令,三、拉曼-纳斯衍射,将对实部和虚部进行积分得,实部：,虚部：,1 平面波阵面入射的变化,q光束的宽度,13,三、拉曼-纳斯衍射,再利用关系式,Jr是r 阶贝赛尔函数，代入实部和虚部得,1 平面波阵面入射的变化,12,三、拉曼-纳斯衍射,2 各级衍射光的光强,结论：1、多级衍射光强：每一项（贝塞尔函数的系数）都是 形式, i光波长， s 声波波长，角取几个分离值，是衍射光的极大值方向。,11,三、拉曼-纳斯衍射,Im取极大值,只有 取得衍射极值，而且各衍射级对称的分布在零级光强的两侧。即m可取和。,光通过介质后相位变化的幅值。,2 各级衍射光的光强,结论2、第m级
9、衍射光强大小为,10,三、拉曼-纳斯衍射,结论4、在忽略介质对光的吸收损耗时， 各级衍射光强之和恒等于1。,结论3、各级光强不等。m越大，光强越小。,2 各级衍射光的光强,9,三、拉曼-纳斯衍射,3 两种超声波衍射对照,8,当入射光与声波面间夹角满足一定条件时，介质内各级衍射光会相互干涉，各高级次衍射光将互相抵消（相当于通过多个光栅），只出现0级和+l级衍射光 (类似于闪耀光栅)。 因此，若能合理选择参数，超声场足够强，可使入射光能量几乎全部转移到+1级(或-1级)衍射极值上。,四、布拉格衍射,1 平面波阵面入射的变化,7,四、布拉格衍射,1 平面波阵面入射的变化,布拉格条件,只要满足布拉格条
10、件的入射光波，在入射角=衍射角=布拉格衍射角的方向上会出现干涉，并产生极大值。,注意： 因为衍射的本质是散射，所以其他方向并非完全没有光，只是由于互相干涉的结果，基本上相消而已。,6,当入射光强为Ii时，布拉格衍射的零级和一级衍射光强的表示式分别为,四、布拉格衍射,2 光强分布,光通过介质产生的附加相位值。,0级和1级光强主要由附加相位决定。,5,四、布拉格衍射,3 决定衍射光强的因素,由于光通过超声场时产生的各级衍射光强主要由附加相位决定。,超声波的产生是由换能器产生的。假设换能器的面积为HL，则声波的总功率,4,四、布拉格衍射,3 决定衍射光强的因素,因此，输出光强表示式为,从而一级衍射的
11、光衍射效率,3,Ps超声波的功率，L和H为超声换能器的长和宽，M2为反映声光介质性质的常数。,什么是声光效应？声光材料如何分类？,答： 当声波在介质中通过时，由于弹光效应，介质的密度随声波振幅的强弱而产生相应的周期性的疏密变化，它对光的作用犹如条纹光栅。此时光束若以适当角度射入晶体内即产生衍射现象。这种声致光衍射现象称声光效应。 常用的声光材料有声光晶体、声光玻璃和声光液体三大类。 声光晶体：指具有声光效应的晶体。除满足光学晶体的一般要求外，声光晶体还应具备品质因素大、声吸收系数低、声速及其对温度的变化小等特点。 声光玻璃：指能产生强的声光相互作用的玻璃。其性能要求是具有大的声光相互作用品质因
12、素，并有高的光学均匀性和低的光和声损耗。声光玻璃通常分为四类:熔石英；含重金属离子玻璃；硫属化合物玻璃；单质半导体玻璃。 声光液体：水和一些有机碘化物、有机溴化物。液态材料应用较少，常被一些性能优良的固体声光材料所代替。,问答题,2,本讲小结,1、声光晶体、声光效应、弹光效应、弹性应变、声光栅、超声波、驻波、行波、衍射等概念及相互关系,2、弹性应变和折射率变化的关系,3、拉曼-纳斯型衍射的条件、概念、光强分布和特征,4、布拉格型衍射的条件、概念、光强分布和特征,1,学习思路： 超声波变化折射率变化平面相位光栅衍射光强分布 实现对光的改变,启发：解决关键问题时首先应考虑是否可以用到学过的知识。,
