激光技术一.pptx
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1、 声波是一种弹性波(纵向应力波),在介质中传播时,它使介质产生相应的弹性形变,从而激起介质中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,因此,介质的折射率也随着发生相应的周期性变化。吸声装置Laser inLaser out第1页/共58页超声场作用的这部分如同一个光学的“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。第2页/共58页 声波在介质中传播分为行波和驻波两种形式。图1.31所示为某一瞬间超声行波的情况,其中深色部分表示介质受到压缩,密度增大,相应的折射率也增大,而白色
2、部分表示介质密度减小,对应的折射率也减小。在行波声场作用下,介质折射率的增大或减小交替变化,并以声速s(一般为n 大n 小103ms量级)向前推进。由于声速仅为光速(108m)的数十万分之,所以对光波来说,运动的“声光栅”可以看作是静止的。设声波的角频率为s,波矢为ks(2/s),则第3页/共58页此处此处 n=-(1/2)no3 PS,(1.3-3)式中,式中,S为超声波引起介质产生的应变,为超声波引起介质产生的应变,P为材料的弹光为材料的弹光系数系数(激光器件与技术教程的附录激光器件与技术教程的附录)。式中式中a为介质质点的瞬时位移,为介质质点的瞬时位移,A为质点位移的幅度。可为质点位移的
3、幅度。可近似地认为,介质折射率的变化正比于介质质点沿近似地认为,介质折射率的变化正比于介质质点沿x方向方向位移的变化率位移的变化率,即,即声波的方程为考虑到宏观量,验证后得知,行波时的折射率考虑到宏观量,验证后得知,行波时的折射率1.3.3第4页/共58页 声驻波是由波长、振幅和相位相同,传播方向相反的两束声波叠加而成的,如图1.3-2所示。其声驻波方程为 上式说明,声驻波的振幅为2Acos(2x/s),它在x方向上各点不同,但相位2t/Ts在各点均相同。同时,由上式还可看出,在x ns/2 或2ns/4 (n=0,1,2,)各点上,驻波的振幅为极大(等于2A),这些点称为波腹,波腹间的距离为
4、s 2。在x(2n+1)s4的各点上,驻波的振幅为零,这些点称为波节,波节之间的距离也是s2。(1.3-4)图 1.3-2 超声驻波x ns/2x(2n+1)s4反射装置Laser inLaser out第5页/共58页由于声驻波的波腹和波节在介质中的位置是固定的,因此它形成由于声驻波的波腹和波节在介质中的位置是固定的,因此它形成的光栅在空间也是固定的。声驻波形成的折射率变化的光栅在空间也是固定的。声驻波形成的折射率变化(正比于介质正比于介质质点沿质点沿x方向位移的变化率方向位移的变化率,对上式求导并令对上式求导并令n=-4A/s)(1.3-5)声驻波在一个周期内,介质两次出现疏密层,且在波节
5、处密度保声驻波在一个周期内,介质两次出现疏密层,且在波节处密度保持不变,因而折射率每隔半个周期持不变,因而折射率每隔半个周期(Ts2)就在波腹处变化一次,就在波腹处变化一次,由极大由极大(或极小或极小)变为极小变为极小(或极大或极大)。在两次变化的某一瞬间,介质。在两次变化的某一瞬间,介质各部分的折射率相同,相当于一个没有声场作用的均匀介质。若各部分的折射率相同,相当于一个没有声场作用的均匀介质。若超声频率为超声频率为fs,那么光栅出现和消失的次数则为,那么光栅出现和消失的次数则为2 fs,因而光波通,因而光波通过该介质后所得到的调制光的调制频率将为声频率的两倍。过该介质后所得到的调制光的调制
6、频率将为声频率的两倍。第6页/共58页 按照声波频率的高低以及声波和光波作用长度的不同,声光互作用可以分为拉曼纳斯(RamanNath)衍射和布拉格(Bragg)衍射两种类型。二、声光相互作用的两种类型二、声光相互作用的两种类型 当超声波频频率较低率较低,光波平行于声波面入射(即垂直于声场传垂直于声场传播方向播方向),声光互作用长度L较短较短时,产生拉曼纳斯衍射。第7页/共58页 当超声波频率较低频率较低,光波平行于声波面入射(即垂直于声垂直于声场传播方向场传播方向),声光互作用长度L较短较短时,产生拉曼纳斯衍射。由于声速比光速小很多,故声光介质可视为一个静止的平面相位光栅。而且声波长s比光波
7、长大得多,当光波平行通过介质时,几乎不通过声波面,因此只受到相位调制,即通过光学稠密(折射率大)部分的1拉曼拉曼-纳斯衍射纳斯衍射第8页/共58页光波波阵面将推迟,而通过光学疏松(折射串小)部分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,如图1.3-3所示。由出射波阵面上各子波源发出的次波将发生相干作用,形成与入射方向对称分布的多级衍射光,这就是拉曼纳斯衍射。?第9页/共58页 下面对光波的衍射方向及光强的分布进行简要分析。1)sin(),sin(2),(03xktnxktPSntxnssss-D=-=Dww1.3-621 03PSnn-=D:注意 设声光
8、介质中的声波是一个宽度为L沿着x方向传播的平面纵波(声柱),波长为s(角频率s),波矢量ks 指向x轴,入射光波矢量 ki 指向y轴方向,如图1.3-4所示。声波在介质引起的弹性应变场可表示为根据前面的(1.3-3)式,则有第10页/共58页 Ein=A exp(ic t)(1.3-9)则在 yL2处出射的光波不再是单色平面波,而是一个被调制了的光波,其等相面是由函数n(x)决定的折皱曲面,其光场可写成 (1.3-10)当把声行波近似视为不随时间变化的超声场时,可略去对时间的依赖关系,这样沿x方向的折射率分布可简化为 n(x,t)=n o+n sin(s t-k s x)(1.3-7)n(x,
9、t)=no+n sin (k s x)(1.3-8)式中no为平均折射率;n为声致折射率变化。由于介质折射率发生了周期性的变化,所以会对入射光波的相位进行调制。如果考察的是一平面光波垂直入射的情况,它在声光介质的前表面y-L2处入射,入射光波为 该出射波阵面可分成若干个子波源,则在很远的P点处总的衍射第11页/共58页(1.3-12)式中,lsin(因观察角度不同引起的附加相位延迟因观察角度不同引起的附加相位延迟)表示衍射方向的正弦;q为入射光束宽度。将(n)k iL 2(n)L代入上式(是是因折射率不同引起的附加相位延迟因折射率不同引起的附加相位延迟),并利用欧拉公式展开成下面形式:(1.3
10、11)光场强是所有子波源贡献的求和,即由下列积分决定:利用关系式:+第12页/共58页式中,Jr()是r阶贝塞尔函数。将此式代入(1.3-12)式,经积分得到实部的表示式为(因为k=2/)(1.3-15)(1.3-13)而(1.3-12)式的虚部的积分为零。由上式可以看出,衍射光场强各项取极大值的条件为 l ki 土 m ks0 (m整数0)(1.3-14)当角和声波波矢ks 确定后,其中某一项为极大时,其他项的贡献几乎等于零,因而当m取不同值时,不同角方向的衍射光取极大值。(1.3-14)式则确定了各级衍射的方位角第13页/共58页综述以上分析,拉曼纳斯声光衍射的结果,使光波在远场分成一组衍
11、射光,它们分别对应于确定的衍射角m(即传播方向)和衍射强度,其中衍射角由其中衍射角由(1.315)式决定;而衍射光强由式决定;而衍射光强由(1.316)式决定,式决定,因此这一组衍射光是离散型的。由于 ,故各级衍射光对称地分布在零级衍射光两侧,且同级次衍射光的强度相等。这是拉曼纳斯衍射的主要持征之一。另外,由于3210-1-2-3(1.3-15)(1.316)式中,m表示衍射光的级次。各级衍射光的强度为表明无吸收时衍射光各级极值光强之和应等于入射光强,即光功率是守恒的。第14页/共58页由于光波与声波场的相互作用,各级衍射光波将产生多普勒频移,根据能量守恒原理,应有 i土m s (1.3-17
12、)而且各级衍射光强将受到角频率为2 s的调制。但由于超声波频率为109Hz,而光波频率高达1014Hz量级,故频移的影响可忽略不计。第15页/共58页 当声波频率较高频率较高,声光作用长度L较大较大,而且光束与声波波面间以一定的角度斜入射以一定的角度斜入射时,光波在介质中要穿过多个声波面,故介质具有“体光栅”的性质。当入射光与声波面间夹角满足一定条件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,只出现0级和+l级(或-1级)(视入射光的方向而定)衍射光,即产生布拉格衍射(类似于闪耀光栅),如图1.3-5所示。因此,若能合理选择参数,超声场足够强,可使
13、入射光能量几乎全部转移到+1级(或-1级)衍射极值上。因而光束能量可以得到充分利用,因此,利用布拉格衍射效应制成的声光器件可以获得较高的效率。2.布拉格(布拉格(Bragg)衍射衍射(1)各向同性介质中的正常布拉格衍射。第16页/共58页 下面从波的干涉加强条件来推导布拉格方程布拉格方程。为此,可把声波通过的介质近似看作许多相距为s的部分反射、部分透射的镜面。对于行波超声场,这些镜面将以速度v s 沿x方向移动。因为s c,所以在某一瞬间,超声场可近似看成是静止的,因而对衍射光的强度分布没有影响。对驻波超声场则完全是不动的,第17页/共58页如图1.36所示。当平面波 l,2 和 3 以角度i
14、入射至声波场,在B,C,E各点处部分反射,产生衍射光1,2,3。各衍射光相干增强的条件是它们之间的光程差应为其波长的整倍数(确保同相位)。图1.36(a)表示在同一镜面上的衍射情况入射光l和2在B,C点反射的1和2同相位的条件,必须使光程差ACBD等于光波波长的整倍数,即 xc(cosi-cos d)m/n (1.318)idxc第18页/共58页要使声波面上所有点同时满足这一条件,只有使 i=d (1.319)即入射角等于衍射角时才能实现。对于相距s的两个不同镜面上的衍射情况,如图1.36(b)所示,由C,E点反射的2,3光束具有同相位的条件,其光程差FE十EG必须等于光波波长的整数倍,即
15、s(sin i+sin d)m/n (1.320)(不是书上的余弦)考虑到i=d,所以id第19页/共58页 2 s sin B/n 或者 sin B /(2 n s)=f s/(2 n vs)(1.3-21)式中i=d =B,称为布拉格角称为布拉格角。可见,只有入射角i等于布拉格角B时,在声波面上衍射的光波才具有同相位,满足相干加强的条件,得到衍射极值,上式称为布拉格方程上式称为布拉格方程。下面简要分析布拉格衍射光强度与声光材料特性和声场强度的关系。根据推证根据推证,当入射光强为Ii时,布拉格声光衍射的0级和1级衍射光强的表达式可分别写成已知已知 是光波穿过长度为是光波穿过长度为L的超声场所
16、产生的附加相位延迟的超声场所产生的附加相位延迟。可用声致折射率的变化n来表示(前面提过),即2nL则(1.323)第20页/共58页第21页/共58页式中,是声光介质的物理参数组合,是由介质本身性质决定的量,称为声光材料的品质因数品质因数(或声光优质指标),它是选择声光介质的主要指标之一。从(1.3-27)式可见:(a)若在超声功率Ps一定的情况下,欲使衍射光强尽量大,则要求选择M2大的材料,并且把换能器做成长而窄(即L大H小)的形式;(b)当超声功率当超声功率Ps足够大,使足够大,使 达到达到 时,时,I1/Ii=100%;(c)当Ps改变时,I1/Ii 也随之改变,因而通过控制Ps,(即控
17、制加在电声换能器上的电功率)就可以达到控制衍射光强的目的,实现声光调制。第22页/共58页图1.3-12 声光调制特性曲线Ps1/2fm(Is)Id(fm)第23页/共58页 上面是从光波的相干叠加来说明布拉格声光互作用原理的。也可以从光和声的量子特性得出声光布拉格衍射条件。光束可以看成是能量为i,动量为ki的光子(粒子)流,其中i和ki为光波的角频率和波矢。同样,声波也可以看成是能量为 s、动量为 ks的声子流,声光互作用可以看成光子和声子的一系列碰撞,每一次碰撞导致一个入射光子(i)和一个声子(s)的湮没,同时产生一个频率为d=i+s的新(衍射)光子。根据碰撞前后动量守恒原理,应有 ki土
18、 ks kd (2)布拉格声光衍射的粒子模型布拉格声光衍射的粒子模型。即 ki土kskd (1.3-28)第24页/共58页同样,根据能量定恒,应有 i土 s d 即 i土sd (1.3-29)式中,“十”表示吸收声子;“一”表示放出声子。它取决于光子和声子碰撞时ki和ks的相对方向,即衍射光子是由碰撞中消失的光子和吸收声子所产生,公式中取“十”号,其频率为d=i+s;苦碰撞中由个入射光子的消失,同时产生一个声子和衍射光子,则公式中取“一”号,其频率为d=i-s。由于光波频率(i)远远高于声波频率(s),故由(1.3-29)式可近似地认为 d i土s i (1.3-30)因此 kd=ki (1
19、.3-31)第25页/共58页图 1.3-7 正常布拉格衍射波矢d i kd ki ks 于是有这就是前面所得到的布拉格方程。故布拉格衍射的波矢图为一等腰三角形,如图1.3-7所示。由图可直接导出(1.3-32)第26页/共58页 从理论上说,拉曼-纳斯衍射和布拉格衍射是在改变声光衍射参数时出现的两种极端情况。影响出现两种衍射情况的主要参数是,声波长s、光束入射角i及声光作用距离L。3.区分拉曼区分拉曼-纳斯衍射布拉格衍射的定量标准纳斯衍射布拉格衍射的定量标准为了给出区分两种衍射的定量标准,特引入参数G来表征,即(1.338)当当L小且小且s大大(G1)时,为布拉格衍射时,为布拉格衍射。为了寻
20、求一个实用的标准,即当G参数大到一定值后,除0级和1级外,其他各级衍射光的强度都很小,可以忽略不计。达到这种情况时即可认为已进入布拉格衍射区。经过多年的实践,现已普遍采用下列定量标准:(1.339)第27页/共58页 声光互作用可看成参量互作用的过程,即首先由于声场的扰动,引起介质电极化率在时间和空间上的周期变化,而使入射光波和介质中超声波耦合而产生了一系列具有复合频率的极化波。由耦合波理论可以推得,在各向同性介质中入射光场Ei和衍射光场Ed满足布拉格条件的耦合波方程为:1.3-54当入射光振辐为及Ei(0)、频率为i时,Ed(0)0,上面方程变为4布拉格衍射的理论分析布拉格衍射的理论分析耦合
21、波理论耦合波理论(一般了解)1.3-55并有第28页/共58页上式说明两种光波在声光相互作用的过程中光功率是守恒的。由前面的耦合系数 ,并考虑xi=xd=L/cosB,则定义一个新量:其入射光强和衍射光强随 的变化如图1.310所示。声光衍射效率定义为输出衍射光强与输入光强之比,即(1.3-57)因此,以光强表示(1355)式,可写成第29页/共58页1.3-58由(1.357)式可见,当/2/2时,Ii 0,而Id Ii(0),即入射光的全部能量将转移到衍射光束中去,即理想的布拉格衍射效率可达到100,故在声光器件中多采用布拉格衍射效应。IiId第30页/共58页 声光体调制器是由声光介质声
22、光介质、电电声换能器声换能器、吸声吸声(或反射或反射)装置装置及驱动电源等驱动电源等所组成,如图1.311所示。(1)声光介质,声光介质是声光互作用的场所。当一束光通过变化的超声场时,由于光和超声场的互作用,其出射光就具有随时间而变化的各级衍射光,利用衍射光的强度随超声波强度的变化而变化的性质,就可以制成光强度调制器。图 1.3-11 声光调制器结构吸声装置Laser inLaser out三、声光体调制器三、声光体调制器1声光体调制器的组成声光体调制器的组成(2)电声换能器(又称超声发生器)(3)吸声(或反射)装置(放置在超声源的对面)。(4)驱动电源 它用以产生调制电信号施加于电声换能器的
23、两端电极上,驱动声光调制器(换能器)工作。第31页/共58页 声光调制是利用声光效应将信息加载于光频载波上的一种物理声光调制是利用声光效应将信息加载于光频载波上的一种物理过程。过程。调制信号是以电信号(调辐)形式作用于电声换能器上而转化为以电信号形式变化的超声场,当光波通过声光介质时,由于声光作用,使光载波受到调制而成为“携带”信息的强度调制波。2声光调制的工作原理声光调制的工作原理 由前面分析可知,无论是拉曼纳斯衍射,还是布拉格衍射,其衍射效率衍射效率均与附加相位延迟因子附加相位延迟因子2nL有关,而其中声声致折射率差致折射率差n正比于弹性应变幅值弹性应变幅值S,而S声功率声功率Ps,故当声
24、波故当声波场受到信号的调制使声波振幅随之变化,则衍射光强也将随之做场受到信号的调制使声波振幅随之变化,则衍射光强也将随之做相应的变化。相应的变化。第32页/共58页图1.3-12 声光调制特性曲线Ps1/2fm(Is)Id(fm)布拉格声光调制特性曲线与电光强度调制相似,如图布拉格声光调制特性曲线与电光强度调制相似,如图1.312所示。所示。由图可以看出:衍射效率由图可以看出:衍射效率与超声功率与超声功率Ps只是非线性调制曲线形只是非线性调制曲线形式,为了使调制不发生畸变,式,为了使调制不发生畸变,则需加超声偏置则需加超声偏置(类似于电光调制(类似于电光调制中的偏压中的偏压V/4=V/2),使
25、其工作在线性较好的区域。),使其工作在线性较好的区域。第33页/共58页 对于拉曼纳斯型衍射,工作声频率低于10MHz,图1.313(a)示出了这种调制器的工作原理,其各级衍射光强比例于 。若取某一级衍射光作为输出,可利用光栏将其他级的衍射光遮挡,则从光栏孔出射的光束就是一个随变化的调制光。由于拉曼纳斯型衍射效率低,光能利用率也低,根据前面判据(1.338)式图1.3-13 声光调制特性曲线(a)拉曼-纳斯型,(b)布拉格型所确定的相互作用长度L小;当工作频率较高时,最大允许长度太小,要求的声功率很高,因此拉曼拉曼纳斯型声光调制器只限纳斯型声光调制器只限于低频工作于低频工作,只具有有限的带宽。
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