第三章光波的調制

第二部分—聲光調制和磁光調制第三章光波的調制

第二部分—聲光調制和磁光調制13.6聲光調制的物理基礎3.6.1超聲波的概念3.6.2聲光效應3.6.3拉曼——奈斯衍射3.6.4布拉格衍射3.6.5聲光調制3.6.6聲光偏轉3.6聲光調制的物理基礎3.6.1超聲波的概念23.6.1超聲波的概念世界因為有了聲音而充滿歡樂。我們平常聽到的各種聲音只是聲音世界中的一部分，范圍在20赫茲至20000赫茲之間，而20000赫茲以上的聲音是超聲，盡管聽不到，卻很有意義。超聲波有兩個特點，一個是能量大，一個是沿直線傳播。它的應用就是按照這兩個特點展開的。

理論研究表明，在振幅相同的情況下，一個物體振動的能量跟振動頻率的二次方成正比．超聲波在介質中傳播時，介質質點振動的頻率很高，因而能量很大。3.6.1超聲波的概念世界因為有了聲音而充滿歡樂。我3超聲波的應用1

蝙蝠非常善于使用超聲。它們用喉頭發出20千赫至120千赫之間的超聲啾鳴，用耳朵接收障礙物的反射回波，以這個回波來判斷獵物的距離、方位、形狀和速度。那份靈巧和精確讓人瞠目。

模仿蝙蝠使用超聲的道理，人類發明了聲納這種裝在船只及潛艇上的裝置。靠超聲在水中傳播時碰到物體產生回波，來測定距離，確定位置。能發現對手，或保證航行安全。合成孔徑聲納可以用于海底測量，水下考古和搜尋水下失落物體等，尤其可以進行高分辨海底測繪，對數字地球研究具有重要的意義。超聲波的應用1蝙蝠非常善于使用超聲。它們用喉頭發出24可攔截魚雷的脈沖聲波發射系統在探測到敵方發射的魚雷后，這些聲波轉換器可在瞬間發射出高能脈沖聲波，其強度足以摧毀或者提前引爆被鎖定的魚雷。由于是在水下，聲波攔截魚雷時的速度可達1.5千米/秒。可攔截魚雷的脈沖聲波發射系統在探測到敵方發射的5超聲波的應用2超聲不僅是信息載體，還是一種能量形式，在傳播時可以進行能量的轉換。超聲波加濕器就是一個很簡單的例子。它的關鍵部件是壓電陶瓷，通電之后，把高頻電轉化為超聲，使很強的超聲波從下方發出。在水面的局部小區域內，聲能轉化為機械能，引發起強大的機械力，把水“打碎”，并噴射出來，形成水霧，加濕空氣。

在我國北方干燥的冬季，如果把超聲波通入水罐中，劇烈的振動會使罐中的水破碎成許多小霧滴，再用小風扇把霧滴吹入室內，就可以增加室內空氣的濕度．這就是超聲波加濕器的原理。

對于咽喉炎、氣管炎等疾病，藥力很難達到患病的部位．利用加濕器的原理，把藥液霧化，讓病人吸入，能夠增進療效．利用超聲波的巨大能量還可以把人體內的結石擊碎．超聲波的應用2超聲不僅是信息載體，還是一種能量6超聲波的應用3超聲清洗。把表面生銹和沾有臟污的物體浸泡在水一類的清洗液中，送入一定量的超聲，使污物從工件表面脫落下來。金銀珠寶配帶久了，失去光澤，變得難以入目，化學清洗會損傷飾物表面，而超聲清洗可以整舊如新取得理想的效果。

超聲懸浮是借助超聲產生的強大聲場將顆粒或液滴托起，在密閉裝置內進行實驗，保持超純度，超精度。超聲馬達是利用壓電陶瓷把電信號轉化成超聲振動，產生一定的力，帶動馬達工作，平穩、速度可調、不怕磁干擾，小的可用于相機的變焦鏡頭，大的甚至可以代替現有的汽車馬達。超聲焊接是利用超聲的高頻振動，把兩個不同的物件連接在一起，因為它基本不發熱、不變形，在微電子工業中用來焊接集成電路芯片，尤其是它能焊接某些特殊的稀有金屬，在核工業、空間技術等領域可以開發更多的用途。

超聲波的應用3超聲清洗。把表面生銹和沾有臟污的7超聲波的應用4超聲波的應用483.6.2聲光效應

晶體光學性質的變化，不僅可以通過外加電場的作用實現，外力的作用也能夠造成折射率的改變。彈光效應：由于外力作用而引起介質光學性質變化的現象。聲波作為一種彈性波，在晶體中傳播時，會造成介質密度的疏密變化，使得介質的折射率分布也隨之改變。聲光效應：由于聲波作用而引起光學性質變化的現象，聲光效應是彈光效應的一種。3.6.2聲光效應晶體光學性質的變化，不僅可9聲光效應與電光效應相似之處：

晶體在受到外部作用后，才出現光學性質的變化，具體表現為折射率的分布發生改變。區別：電光效應中，外加電場的加入是起因。聲光效應中，造成折射率變化的因素是應變或應力。聲光效應與電光效應相似之處：103.6.3拉曼——奈斯衍射

1、聲光衍射的定性描述：在晶體中傳播的超聲波，會造成晶體的局部壓縮或伸長，這種由于機械應力引起的彈光效應使晶體的介電常量發生變化，因而折射率也發生變化。2、在介質中形成了周期性的有不同折射率的間隔層，這些層以聲速運動，層間保持聲波波長一半（λs/2）的距離，當光通過這種分層結構時，就發生衍射，引起光強度、頻率和方向隨超聲場的變化。3.6.3拉曼——奈斯衍射1、聲光衍射的定性描述：在晶體11聲光衍射根據光波波長、聲波波長，以及相互作用區域的長度等因素，將聲光衍射分為：拉曼——奈斯衍射布拉格衍射聲光衍射123.6.3拉曼——奈斯衍射

1、在低聲頻和聲波束的寬度（即聲光相互作用）L不大的情況下且k⊥ks時可以將聲光介質看成一塊普通的位相光柵。2、光束在介質中傳播時，由于折射率隨介質密度的變化，使得出射光波的波前已不再是平面波的波面，而是波浪狀曲面。波面上的各點作為次波源，發出子波在空間相互干涉而形成多級衍射條紋。這種類似于普通面光柵的作用而產生的聲光衍射，就稱為拉曼——奈斯衍射。3.6.3拉曼——奈斯衍射1、在低聲頻和聲波束的寬度（即133.6.3拉曼——奈斯衍射對于垂直入射情形，相對于0度方向的衍射極值角度方向由公式λs入射光Lλ聲波陣面式中θm為第m級衍射極值的偏角。3.6.3拉曼——奈斯衍射對于垂直入射情形，相對于0143.6.3拉曼——奈斯衍射拉曼—奈斯衍射時，入射光在相互作用區內部的傳播方向仍保持直線方向，而與折射率變化有關的介質的光學不均勻性只對通過聲柱的光的相位發生影響。聲波的作用可歸結為形成以聲速運動的、周期等于聲波周期的相位光柵，因而這種衍射遵循普通相位光柵的衍射定律。3.6.3拉曼——奈斯衍射拉曼—奈斯衍射時，入射光在相互作用153.6.4布拉格衍射

在高聲頻和相互作用長度較大的情況下，并且光束與聲波波面成一定角度入射時，發生布拉格衍射。其衍射光譜只出現零級和+1級或零級和-1級。如果參數選擇合適，超聲功率足夠強，入射光幾乎可以全部轉移到+1級或-1級上，因為布拉格衍射有著較高的轉換效率，所以它比拉曼—奈斯衍射應用更為廣泛。3.6.4布拉格衍射在高聲頻和相互作16結論3.6.4布拉格衍射

1、布拉格條件①同一鏡面上任意兩點的貢獻應同相(圖4-16)BCDAx入射光束衍射光束結論3.6.4布拉格衍射

1、布拉格條件①同一鏡面上任意17②相鄰兩鏡面的反射光的相位應該相同（圖4-17）布拉格衍射公式3.6.4布拉格衍射

1、布拉格條件②相鄰兩鏡面的反射光的相位應該相同（圖4-17）18拉曼—奈斯衍射與布拉格衍射的界定拉曼—奈斯衍射與布拉格衍射的判斷依據聲光相互作用特征長度L0來表示：拉曼—奈斯衍射布拉格衍射拉曼—奈斯衍射與布拉格衍射的界定拉曼—奈193.6.4布拉格衍射

2、聲光衍射的量子解釋根據光和聲的波粒二象性，可得知許多聲波對光都具有產生布喇格衍射的特性。據此模型，具有傳播矢量k、頻率為ω的一道光束可以看成是由動量?k為和能量?ω(?＝h/2π，h為普郎克常數)的粒子束(即光子)組成。同樣，聲波也可視為由動量?k

s和能量?ωs的粒子(聲子)所組成。圖4-16所示的衍射可看成是光子與聲子的碰撞，每一次碰撞引起一個入射光子和一個聲子消失，同時沿散射光方向產生一個新的光子。3.6.4布拉格衍射

2、聲光衍射的量子解釋20能量守恒——決定了衍射光的頻率動量守恒——決定了衍射波的方向3.6.4布拉格衍射

2、聲光衍射的量子解釋能量守恒——決定了衍射光的頻率動量守恒——決定了衍射波的方向21布拉格衍射波矢圖V入射光衍射光θi入射光衍射光θiVθdθikdkiksθdθikdkiks布拉格衍射波矢圖V入射光衍射光θi入射光衍射光θiVθdθi223.6.4布拉格衍射

3、聲光相互作用的理論分析電場對電極化矢量的影響：折射率變化對電極化矢量的影響：由麥氏方程，有：上式對入射波和衍射波均成立，故可寫成兩個標量方程：入射光衍射光3.6.4布拉格衍射

3、聲光相互作用的理論分析電場對電極23設該波動方程有如下形式的解：將解帶入標量方程，再注意到能量守恒和動量守恒，可得到耦合波方程：3.6.4布拉格衍射

3、聲光相互作用的理論分析設該波動方程有如下形式的解：將解帶入標量方程，再注意到能量守24在考慮到只有頻率為ωi光束入射，且Ed(0)=0時，最終結果為：重要結論：1）、對任意的ri，

rd，光場的總能量是守恒的.2）、當時，入射波將全部轉化成衍射波，這就是布拉格衍射最大的優點。正是這一優點使得布拉格聲光調制器件得到大量的應用。3.6.4布拉格衍射

3、聲光相互作用的理論分析在考慮到只有頻率為ωi光束入射，且Ed(0)=0時，最終結果253.6.5聲光調制衍射效率的定義為：衍射光強為：考慮到聲光材料的具體參數，可表示為：最終決定衍射光強的是聲波的強度Is,通過變化聲強可以達到調制衍射光強的目的。3.6.5聲光調制衍射效率的定義為：衍射光強為：考慮到聲26從原理上講，聲光效應即可用于光強調制，也可以用于頻率調制。由于衍射光的頻率不再與入射光相同，其改變量決定于聲波頻率，因而可以通過控制聲波驅動電信號來實現頻率調制。但是，由于聲波頻率遠低于光波頻率，頻率調制的意義不大。3.6.5聲光調制從原理上講，聲光效應即可用于光強調制，也可以用于273.6.5聲光調制

拉曼—奈斯聲光調制器入射光調制信號a出射光ηΓtt00.513.6.5聲光調制

拉曼—奈斯聲光調制器入射光調制信號a283.6.5聲光調制

布拉格聲光調制器入射光調制信號b出射光ηΓtt3.6.5聲光調制

布拉格聲光調制器入射光調制信號b出射29聲光調制器的應用電視機接收到的圖像和聲音是由電視臺將聲光信號調制為電信號發射出來的。電視機接收到電信號再經過解調，還原成圖像和聲音。激光打印機激光器射出的光束也載有數據信息，這些信息的轉換過程也類似于電視機信息傳遞過程。只是此過程是由聲光調制器轉換的。聲光調制器的調制頻率可達30MHz左右，特性穩定，因此大多數的激光打印機都采用這種調制器。

聲光調制器的工作原理是利用聲光效應所產生的布雷格衍射的特點，實現對激光束傳播方向的控制。激光束欲完成圖文信息的映像任務，必須用圖文信息進行調制，恰如電視臺將圖像及聲音信號調制到無線電波上去，方能在電視機中解調出圖像與聲音信號一樣。聲光調制器的應用電視機接收到的圖像和聲303.6.6聲光偏轉布拉格衍射的前提是動量守恒θθΔθ3.6.6聲光偏轉布拉格衍射的前提是動量守恒θθΔθ313.6.6聲光偏轉聲波頻率（波矢）的改變將引起動量三角形的失配，結果是衍射光波的大小幾乎不變，但其方向將向動量失配最小的方向偏轉。偏轉角為：通常定義絕對偏轉角Δθ同光束發散角的比值為聲光偏轉器的可分辨光斑數目N。

τ是聲波穿過光束直徑所花的時間，通常稱為偏轉器的偏轉時間。當聲波從頻率υ1變為υ2時，由于聲波傳播需要一定的時間，開始時只是在聲波源附近的聲波頻率為υ2，因此只有此處的光波衍射角由θ1變為θ2。只有經過τ后，整個光束截面上的聲波才能都變為頻率υ2，衍射光束才能全部偏轉到θ2方向，相應的偏轉速度是1/τ。3.6.6聲光偏轉聲波頻率（波矢）的改變將32討論：偏轉角能否任意加大？不能靠增大來增加偏轉角度，否則將使器件偏離布喇格條件甚遠，引起衍射效率急劇下降，失去實用意義。討論：偏轉角能否任意加大？不能靠增大來增加偏轉角度33復習聲光效應聲光衍射拉曼——奈斯衍射布拉格衍射布拉格條件聲光衍射的量子解釋聲光調制拉曼——奈斯聲光調制器布拉格聲光調制器聲光偏轉復習聲光效應34聲光器件最新動態美國國家健康研究院(NIH)的一個研究小組使用Brimrose公司的聲光可調濾波器(AOTF)作為核心部件，成功地研制出用于生物醫學研究的拉曼成像顯微鏡。聲光器件最新動態美國國家健康研究院(NIH)的一35聲光偏轉器件聲光偏轉器件363.7磁光調制——磁光效應線偏振光沿著光軸方向傳播時，不會產生光的雙折射。但在某些晶體中，卻存在一種特殊的現象：光在傳播了一段距離后，偏振面旋轉了一定的角度。這就是旋光現象，一些物質（包括晶體以及一些各向同性的氣體、液體）本身就具有這種特性，稱為天然旋光物質。也有些晶體，在受到磁場作用時，會表現出旋光特性，具有人為旋光性質。1845年法拉第首先發現了這個現象，因而也稱為法拉第效應。3.7磁光調制——磁光效應線偏振光沿著光軸方向373.2磁光調制——磁光效應法拉第效應VBθ起偏器檢偏器入射光出射光

V稱為費爾德常數,與物質的性質、溫度以及光的頻率（波長）有關。在一定物質中不論光是沿磁場方向或逆磁場方向傳播，振動面的轉向都一樣，只由磁場方向決定。若轉向與磁場方向成右手螺旋關系,該物質的V取為正值，即θ>0。這樣，光來回傳播同樣距離后，其振動面的轉角等于單程轉角的兩倍。V>0左旋，V

﹤0右旋。3.2磁光調制——磁光效應法拉第效應VBθ起偏器檢偏器入射383.2磁光調制——磁光效應控制電壓，即可控制旋光角度，從而控制第二個偏振片后的光強，最終實現光調制。VBθ起偏器檢偏器入射光出射光3.2磁光調制——磁光效應控制電壓，即可控制39λ=589.3nm時的V值介質SiO2ZnS冕牌玻璃火石玻璃NaClV(rad/m?T)4.0826.4239.6λ=589.3nm時的V值介質SiO2ZnS冕牌玻璃火石玻璃40磁光材料與天然旋光效應的區別旋光性物質偏振面的轉動角度與光束傳播方向有關

光束返回通過天然旋光介質時，旋光角度與正向入射時相反，因而往返通過介質的總效果是偏轉角為零；磁光材料與傳播方向無關，僅與外磁場的方向有關。光束返回通過法拉第旋光介質時，旋轉角度增加一倍。正向通過磁光材料與天然旋光效應的區別旋光性物質偏振面的轉動角度與光束41天然物質的旋光性正向通過：反向通過：天然物質的旋光性正向通過：反向通過：42法拉第效應中的旋光性正向通過：反向通過：法拉第效應中的旋光性正向通過：反向通過：43磁光材料與天然旋光效應的區別法拉第效應的這種特性使人們能夠采用將光束多次反射進法拉第器件中，從而得到大的旋角度。磁光調制器的優點是：工作所需功率低，受溫度影響小，缺點是僅適用于紅外波段。實際上，磁光器件更多地用在光隔離器、光存儲器等方面。磁光材料與天然旋光效應的區別法拉第效應的這種特性使人們能夠采44磁光效應的應用——顯示器件一些大分子或長鏈分子的溶液，在局部范圍內由于相互作用，會有規則地排列液晶，從而產生類似于晶體的各向異性。設計薄層的厚度使得，不加電壓時，通光（透射光由于分子扭曲，自然產生90度的旋轉）。加電壓時，通光強度隨電壓的變化而變化。磁光效應的應用——顯示器件一些大分子45磁光效應的應用——光盤的讀寫LDLD聚焦透鏡光盤寫入磁頭起偏器準直透鏡聚焦透鏡分束器聚焦透鏡檢偏器光電轉換磁光效應的應用——光盤的讀寫LDLD聚焦透鏡光盤寫入磁頭起偏46磁光效應的應用——磁光開關磁光開關原理是利用法拉第旋光效應，通過外加磁場的改變來改變磁光晶體對入射偏振光偏振面的作用，從而達到切換光路的效果。相對于傳統的機械式光開關，它具有開關速度快，穩定性高等優勢。相對于其他的非機械式光開關，它又具有驅動電壓低、串擾小等優勢。

磁光效應的應用——磁光開關磁