2.3+光波在光晶体中的传播.ppt

* * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * 共33页 * 共33页 * 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。 常见的声光晶体有 钼酸铅(PbMoO4)、二氧化碲 (TeO2)、硫代砷酸砣(Tl3AsS4)等。 由于弹光效应，当超声纵波以行波形式在介质中传播时会使介质折射率产生正弦或余弦规律变化，并随超声波一起传播。当激光通过此介质的时候，就会发生光的衍射，即声光衍射。 二氧化碲晶体 ２.3 光波在声光晶体中传播 * 共33页 * 声光效应的应用： （1）测量 最早的声光效应仅用于物理性质的测量，如声场的能量分布、声衰减系数、声速的弹性系数以及弹性系数的测量 （2）光电子 激光和超声波技术的发展，使声光效应子在光电子上有广泛的应用。如声光调制器、声光调Q、声光锁模器和声光偏转器。 （3）其他方面 利用声光效应产生的衍射可以改变光束的强度、方向和频率，因而可以设计制造光强度调制器、光束偏转器和激光Q开关等器件。 ２.3 光波在声光晶体中传播 * 共33页 * 弹光效应：当物质受到弹性应力或应变作用时，介质的折射率发生变化，这种由于应力使折射率发生变化的现象称为弹光效应。 声光衍射：由于弹光效应，当超声纵波以行波形式在介质中传播时会使介质折射率产生正弦或余弦规律变化，并随超声波一起传播。当激光通过此介质的时候，就会发生光的衍射。 ２.3 光波在声光晶体中传播 光波与声波是如何相互作用的？ 开篇问题 * 共33页 * 声波是一种弹性波(纵向应力波)，使介质产生相应的弹性形变，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。 介质的折射率也随着发生相应的周期性变化。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。 一、声光栅 * 共33页 * 声波在介质中传播分为行波和驻波两种形式。图1.3-1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 103m/s量级)向前推进。由于声速仅为光速(108m)的数十万分之一，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)， * 共33页 * 或者写成： 这里 ?n = -ksA，则行波时的折射率： 此处 ?n = -(1/2)no3 PS， （1.3-3’) 式中，S为超声波引起介质产生的应变，P为材料的弹光系数。 式中a为介质质点的瞬时位移，A为质点位移的幅度。可近似地认为，介质折射率的变化正比于介质质点沿x方向位移的变化率，即 (1.3-1) 声波的方程为 * 共33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 声驻波的振幅为2Acos(2πx/λs )，它在x方向上各点不同，但相位2πt / Ts在各点均相同。 在x＝ nλs /2 或2nλs /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λs /2。 在x＝(2n+1) λs/4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λs/2。 (1.3-4) 图 1.3-2 超声驻波 x＝ nλs /2 x＝(2n+1) λs／4 * 共33页 * 由于波腹和波节在介质中的位置是固定的，形成的光栅在空间也是固定的。形成的折射率变化(正比于介质质点沿x方向位移的变化率, 对上式求导并令△n = - 4Aπ /λs ) (1.3-5) 在一周期内，介质两次出现疏密层，波节处密度保持不变，折射率每隔半个周期(Ts/2)就在波腹处变化一次，由极大(或极小)变为极小(或极大)。在两