光电子技术声光调制和声光偏转.pptx
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1、4.6 声光调制的物理基础声光调制的物理基础 4.6.1超声波的概念超声波的概念 4.6.2声光效应声光效应 4.6.3拉曼拉曼奈斯衍射奈斯衍射 4.6.4布拉格衍射布拉格衍射 4.6.5声光调制声光调制 4.6.6声光偏转声光偏转4.6.14.6.1超声波的概念超声波的概念 世世界界因因为为有有了了声声音音而而充充满满欢欢乐乐。我我们们平平常常听听到到的的各各种种声声音音只只是是声声音音世世界界中中的的一一部部分分,范范围围在在2020赫赫兹兹至至2000020000赫赫兹兹之之间间,而而2000020000赫赫兹兹以以上上的的声声音是超声,尽管听不到,却很有意义。音是超声,尽管听不到,却很
2、有意义。超超声声波波有有两两个个特特点点,一一个个是是能能量量大大,一一个个是是沿沿直直线线传传播播。它它的的应应用用就就是是按按照照这这两两个个特特点点展展开开的。的。理理论论研研究究表表明明,在在振振幅幅相相同同的的情情况况下下,一一个个物物体体振振动动的的能能量量跟跟振振动动频频率率的的二二次次方方成成正正比比超超声声波波在在介介质质中中传传播播时时,介介质质质质点点振振动动的的频频率率很很高高,因而能量很大。因而能量很大。超声波的应用超声波的应用1 1 蝙蝙蝠蝠非非常常善善于于使使用用超超声声。它它们们用用喉喉头头发发出出2020千千赫赫至至120120千千赫赫之之间间的的超超声声啾啾
3、鸣鸣,用用耳耳朵朵接接收收障障碍碍物物的的反反射射回回波波,以以这这个个回回波波来来判判断断猎猎物物的距离、方位、形状和速度。那份灵巧和精确让人瞠目。的距离、方位、形状和速度。那份灵巧和精确让人瞠目。模模仿仿蝙蝙蝠蝠使使用用超超声声的的道道理理,人人类类发发明明了了声声纳纳这这种种装装在在船船只只及及潜潜艇艇上上的的装装置置。靠靠超超声声在在水水中中传传播播时时碰碰到到物物体体产产生生回回波波,来来测测定定距距离离,确定位置。能发现对手,或保证航行安全。确定位置。能发现对手,或保证航行安全。合成孔径声纳可以用于海底测量,水下考古和搜寻水下失落物体等,尤其可以进行高分辨海底测绘,对数字地球研究具
4、有重要的意义。可拦截鱼雷的脉冲声波发射系统可拦截鱼雷的脉冲声波发射系统 在在探探测测到到敌敌方方发发射射的的鱼鱼雷雷后后,这这些些声声波波转转换换器器可可在在瞬瞬间间发发射射出出高高能能脉脉冲冲声声波波,其其强强度度足足以以摧摧毁毁或或者者提提前前引引爆爆被被锁锁定定的的鱼鱼雷雷。由由于于是是在在水水下下,声波拦截鱼雷时的速度可达声波拦截鱼雷时的速度可达1.51.5千米千米/秒。秒。超声波的应用超声波的应用2 2 超超声声不不仅仅是是信信息息载载体体,还还是是一一种种能能量量形形式式,在在传传播播时时可可以以进进行行能能量量的的转转换换。超超声声波波加加湿湿器器就就是是一一个个很很简简单单的的
5、例例子子。它它的的关关键键部部件件是是压压电电陶陶瓷瓷,通通电电之之后后,把把高高频频电电转转化化为为超超声声,使使很很强强的的超超声声波波从从下下方方发发出出。在在水水面面的的局局部部小小区区域域内内,声声能能转转化化为为机机械械能能,引引发发起起强强大大的的机机械械力力,把把水水“打打碎碎”,并并喷喷射射出出来来,形成水雾,加湿空气。形成水雾,加湿空气。在在我我国国北北方方干干燥燥的的冬冬季季,如如果果把把超超声声波波通通入入水水罐罐中中,剧剧烈烈的的振振动动会会使使罐罐中中的的水水破破碎碎成成许许多多小小雾雾滴滴,再再用用小小风风扇扇把把雾雾滴滴吹吹入入室室内内,就就可可以以增增加加室室
6、内内空空气气的的湿湿度度这这就就是是超超声声波波加加湿湿器器的的原理。原理。对对于于咽咽喉喉炎炎、气气管管炎炎等等疾疾病病,药药力力很很难难达达到到患患病病的的部部位位利利用用加加湿湿器器的的原原理理,把把药药液液雾雾化化,让让病病人人吸吸入入,能能够够增增进进疗疗效效利用超声波的巨大能量还可以把人体内的结石击碎利用超声波的巨大能量还可以把人体内的结石击碎超声波的应用超声波的应用3 3 超超声声清清洗洗。把把表表面面生生锈锈和和沾沾有有脏脏污污的的物物体体浸浸泡泡在在水水一一类类的的清清洗洗液液中中,送送入入一一定定量量的的超超声声,使使污污物物从从工工件件表表面面脱脱落落下下来来。金金银银珠
7、珠宝宝配配带带久久了了,失失去去光光泽泽,变变得得难难以以入入目目,化化学学清清洗洗会会损损伤伤饰饰物物表表面面,而超声清洗可以整旧如新取得理想的效果。而超声清洗可以整旧如新取得理想的效果。超超声声悬悬浮浮是是借借助助超超声声产产生生的的强强大大声声场场将将颗颗粒粒或或液液滴滴托托起起,在在密密闭闭装装置置内内进进行行实实验验,保保持持超超纯纯度度,超超精精度度。超超声声马马达达是是利利用用压压电电陶陶瓷瓷把把电电信信号号转转化化成成超超声声振振动动,产产生生一一定定的的力力,带带动动马马达达工工作作,平平稳稳、速速度度可可调调、不不怕怕磁磁干干扰扰,小小的的可可用用于于相相机机的的变变焦焦镜
8、镜头头,大大的的甚甚至至可可以以代代替替现现有有的的汽汽车车马马达达。超超声声焊焊接接是是利利用用超超声声的的高高频频振振动动,把把两两个个不不同同的的物物件件连连接接在在一一起起,因因为为它它基基本本不不发发热热、不不变变形形,在在微微电电子子工工业业中中用用来来焊焊接接集集成成电电路路芯芯片片,尤尤其其是是它它能能焊焊接接某某些些特特殊殊的的稀稀有有金金属属,在核工业、空间技术等领域可以开发更多的用途。在核工业、空间技术等领域可以开发更多的用途。超声波的应用超声波的应用4 44.6 声光调制的物理基础声光调制的物理基础 4.6.1超声波的概念超声波的概念 4.6.2声光效应声光效应 4.6
9、.3拉曼拉曼奈斯衍射奈斯衍射 4.6.4布拉格衍射布拉格衍射 4.6.5声光调制声光调制 4.6.6声光偏转声光偏转4.6.2 4.6.2 声光效应声光效应 晶体光学性质的变化,不仅可以通过外加电晶体光学性质的变化,不仅可以通过外加电场的作用实现,外力的作用也能够造成折射率的场的作用实现,外力的作用也能够造成折射率的改变。改变。弹光效应:由于外力作用而引起介质光学性弹光效应:由于外力作用而引起介质光学性质变化的现象。质变化的现象。声波作为一种弹性波,在晶体中传播时,会声波作为一种弹性波,在晶体中传播时,会造成介质密度的疏密变化,使得介质的折射率分造成介质密度的疏密变化,使得介质的折射率分布也随
10、之改变。布也随之改变。声光效应:由于声波作用而引起光学性质变声光效应:由于声波作用而引起光学性质变化的现象,声光效应是弹光效应的一种。化的现象,声光效应是弹光效应的一种。声光效应与电光效应声光效应与电光效应相似之处:相似之处:晶晶体体在在受受到到外外部部作作用用后后,才才出出现现光光学学性性质质的的变变化,具体表现为折射率的分布发生改变。化,具体表现为折射率的分布发生改变。区别:区别:电光效应中,外加电场的加入是起因。电光效应中,外加电场的加入是起因。声声光光效效应应中中,造造成成折折射射率率变变化化的的因因素素是是应应变变或或应力。应力。4.6 声光调制的物理基础声光调制的物理基础 4.6.
11、1超声波的概念超声波的概念 4.6.2声光效应声光效应 4.6.3拉曼拉曼奈斯衍射奈斯衍射 4.6.4布拉格衍射布拉格衍射 4.6.5声光调制声光调制 4.6.6声光偏转声光偏转4.6.34.6.3拉曼拉曼奈斯衍射奈斯衍射 1 1、声声光光衍衍射射的的定定性性描描述述:在在晶晶体体中中传传播播的的超超声声波波,会会造造成成晶晶体体的的局局部部压压缩缩或或伸伸长长,这这种种由由于于机机械械应应力力引引起起的的弹弹光光效效应应使使晶晶体体的的介介电电常常量量发发生生变变化,因而折射率也发生变化。化,因而折射率也发生变化。2 2、在在介介质质中中形形成成了了周周期期性性的的有有不不同同折折射射率率的
12、的间间隔隔层层,这这些些层层以以声声速速运运动动,层层间间保保持持声声波波波波长长一一半半(s s/2/2)的的距距离离,当当光光通通过过这这种种分分层层结结构构时时,就就发发生生衍衍射射,引引起起光光强强度度、频频率率和和方方向向随随超超声声场场的变化的变化。声光衍射声光衍射根据光波波长、声波波长,以及相互作用根据光波波长、声波波长,以及相互作用区域的长度等因素,将声光衍射分为:区域的长度等因素,将声光衍射分为:拉曼拉曼奈斯衍射奈斯衍射布拉格衍射布拉格衍射4.6.34.6.3拉曼拉曼奈斯衍射奈斯衍射 1 1、在在低低声声频频和和声声波波束束的的宽宽度度(即即声声光光相相互互作作用用)L L不
13、不大大的的情情况况下下且且k kk ks s时时可可以以将将声声光光介介质质看看成成一一块普通的位相光栅。块普通的位相光栅。2 2、光光束束在在介介质质中中传传播播时时,由由于于折折射射率率随随介介质质密密度度的的变变化化,使使得得出出射射光光波波的的波波前前已已不不再再是是平平面面波波的的波波面面,而而是是波波浪浪状状曲曲面面。波波面面上上的的各各点点作作为为次次波波源源,发发出出子子波波在在空空间间相相互互干干涉涉而而形形成成多多级级衍衍射射条条纹纹。这这种种类类似似于于普普通通面面光光栅栅的的作作用用而而产产生生的的声声光衍射,就称为光衍射,就称为拉曼拉曼奈斯衍射奈斯衍射。4.6.34.
14、6.3拉曼拉曼奈斯衍射奈斯衍射 对对于于垂垂直直入入射射情情形形,相相对对于于0 0度度方方向向的的衍衍射射极极值值角角度度方向由公式方向由公式s入射光入射光L声波阵面声波阵面式中式中m m为第为第m m级衍射极值的偏角。级衍射极值的偏角。4.6.34.6.3拉曼拉曼奈斯衍射奈斯衍射拉曼拉曼奈斯衍射时,入射光在相互作用区奈斯衍射时,入射光在相互作用区内部的传播方向仍保持直线方向,而与折内部的传播方向仍保持直线方向,而与折射率变化有关的介质的光学不均匀性只对射率变化有关的介质的光学不均匀性只对通过声柱的光的相位发生影响。通过声柱的光的相位发生影响。声波的作用可归结为形成以声速运动的、声波的作用可
15、归结为形成以声速运动的、周期等于声波周期的相位光栅周期等于声波周期的相位光栅,因而这种,因而这种衍射遵循普通相位光栅的衍射定律。衍射遵循普通相位光栅的衍射定律。4.6 声光调制的物理基础声光调制的物理基础 4.6.1超声波的概念超声波的概念 4.6.2声光效应声光效应 4.6.3拉曼拉曼奈斯衍射奈斯衍射 4.6.4布拉格衍射布拉格衍射1、布拉格条件、布拉格条件2、声光衍射的量子解释、声光衍射的量子解释3、声光相互作用的理论分析、声光相互作用的理论分析 4.6.5声光调制声光调制 4.6.6声光偏转声光偏转4.6.4 4.6.4 布拉格衍射布拉格衍射 在在高高声声频频和和相相互互作作用用长长度度
16、较较大大的的情情况况下下,并并且且光光束束与与声声波波波波面面成成一一定定角角度度入入射射时时,发发生生布布拉拉格格衍衍射射。其其衍衍射射光光谱谱只只出出现现零零级级和和+1级级或或零零级级和和-1级。级。如如果果参参数数选选择择合合适适,超超声声功功率率足足够够强强,入入射射光光几几乎乎可可以以全全部部转转移移到到+1级级或或-1级级上上,因因为为布布拉拉格格衍衍射射有有着着较较高高的的转转换换效效率率,所所以以它它比比拉拉曼曼奈奈斯衍射应用更为广泛。斯衍射应用更为广泛。结论结论4.6.4 4.6.4 布拉格衍射布拉格衍射1 1、布拉格条件、布拉格条件同一镜面上任意两点的贡献应同相同一镜面上
17、任意两点的贡献应同相(图图4-16)BCDAx入射光束入射光束衍射光束衍射光束4.6.4 4.6.4 布拉格衍射布拉格衍射1 1、布拉格条件、布拉格条件相邻两镜面的反射光的相位应该相同(图相邻两镜面的反射光的相位应该相同(图4-17)布拉格衍射公式布拉格衍射公式拉曼拉曼奈斯衍射与布拉格衍射的界定奈斯衍射与布拉格衍射的界定 拉拉曼曼奈奈斯斯衍衍射射与与布布拉拉格格衍衍射射的的判判断断依依据声光相互作用特征长度据声光相互作用特征长度L0来表示:来表示:拉曼拉曼奈斯衍射奈斯衍射布拉格衍射布拉格衍射4.6.4 4.6.4 布拉格衍射布拉格衍射2 2、声光衍射的量子解释、声光衍射的量子解释 根根据据光光
18、和和声声的的波波粒粒二二象象性性,可可得得知知许许多多声声波波对对光光都都具具有有产产生生布布喇喇格格衍衍射射的的特特性性。据据此此模模型型,具具有有传传播播矢矢量量k、频频率率为为的的一一道道光光束束可可以以看看成成是是由由动动量量k为为和和能能量量 (h/2,h h为为普普郎郎克克常常数数)的的粒粒子子束束(即即光光子子)组组成成。同同样样,声声波波也也可可视视为为由由动动量量k s和和能能量量 s的的粒粒子子(声声子子)所所组组成成。图图4-16所所示示的的衍衍射射可可看看成成是是光光子子与与声声子子的的碰碰撞撞,每每一一次次碰碰撞撞引引起起一一个个入入射射光光子子和和一一个个声声子子消
19、消失失,同同时时沿沿散散射光方向产生一个新的光子。射光方向产生一个新的光子。4.6.4 4.6.4 布拉格衍射布拉格衍射2 2、声光衍射的量子解释、声光衍射的量子解释能量守恒能量守恒决定了衍射光的频率决定了衍射光的频率动量守恒动量守恒决定了衍射波的方向决定了衍射波的方向布拉格衍射波矢图布拉格衍射波矢图V入射光入射光衍射光衍射光i入射光入射光衍射光衍射光iVdikdkiksdikdkiks4.6.4 4.6.4 布拉格衍射布拉格衍射3 3、声光相互作用的理论分析声光相互作用的理论分析电场对电极化矢量的影响:电场对电极化矢量的影响:折射率变化对电极化矢量的影响:折射率变化对电极化矢量的影响:由麦氏
20、方程,有:由麦氏方程,有:上式对入射波和衍射波均成立,故可写成两个标量方程:上式对入射波和衍射波均成立,故可写成两个标量方程:入射光入射光衍射光衍射光4.6.4 4.6.4 布拉格衍射布拉格衍射3 3、声光相互作用的理论分析声光相互作用的理论分析设该波动方程有如下形式的解:设该波动方程有如下形式的解:将解带入标量方程,再注意到能量守恒和动量守恒,可得将解带入标量方程,再注意到能量守恒和动量守恒,可得到耦合波方程:到耦合波方程:4.6.4 4.6.4 布拉格衍射布拉格衍射3 3、声光相互作用的理论分析声光相互作用的理论分析在考虑到只有频率为在考虑到只有频率为i光束入射,且光束入射,且Ed(0)=
21、0(0)=0时,最时,最终结果为终结果为:重要结论:重要结论:1)、对任意的)、对任意的ri,rd,光场的总能量是守恒的光场的总能量是守恒的.2)、当)、当 时,入射波将全部转化成衍射波,时,入射波将全部转化成衍射波,这这就就是是布布拉拉格格衍衍射射最最大大的的优优点点。正正是是这这一一优优点点使使得得布布拉拉格声光调制器件得到大量的应用。格声光调制器件得到大量的应用。4.6 声光调制的物理基础声光调制的物理基础 4.6.1超声波的概念超声波的概念 4.6.2声光效应声光效应 4.6.3拉曼拉曼奈斯衍射奈斯衍射 4.6.4布拉格衍射布拉格衍射 4.6.5声光调制声光调制 4.6.6声光偏转声光
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