光电子技术教案-第04讲.doc

2.4 光波在声光晶体中的传播 声波在介质中传播时，使介质产生弹性形变，引起介质的密度呈疏密相间的交替分布，因此，介质的折射率也随着发生相应的周期性变化。这如同一个光学“相位光栅”，光栅常数等于声波长(s。当光波通过此介质时，会产生光的衍射。衍射光的强度、频率、方向等都随着超声场的变化而变化。 1. 相位栅类型 超声行波的瞬时相位栅如图1所示。由于声速仅为光速的数十万分之一，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，则沿x方向介质的折射率变化为 (2.4-1) 介质折射率分布为 (2.4-2) S为超声波引起介质产生的应变；P为材料的弹光系数。 超声驻波形成的折射率变化为 (2.4-3) 若超声频率为fs，那么光栅出现和消失的次数则为2fs，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。 2. 声光衍射 按照声波频率的高低以及声波和光波作用长度的不同，声光相互作用可以分为拉曼-纳斯衍射和布喇格衍射两种类型。 (1)拉曼-纳斯衍射 产生拉曼-纳斯衍射的条件：当超声波频率较低，光波平行于声波面入射，声光互作用长度L较短时，在光波通过介质的时间内，折射率的变化可以忽略不计，则声光介质可近似看作为相对静止的“平面相位栅”。 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。即通过光密部分的光波波阵面将延迟，而通过光疏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-纳斯衍射的特点。 设宽度为q的光波垂直入射宽度为L声波柱，如图4所示。则在声场外P点处总的衍射光强是所有子波源贡献的和 (2.4-4) 式中，Jr(v)是r阶贝塞尔函数；l=sin( 。。衍射光场强度各项取极大值的条件为 (2.4-5) 各级衍射的方位角为 (2.4-6) 各级衍射光的强度为 (2.4-7) 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。 由于，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。 由于光波与声波场的作用，各级衍射光波将产生多普勒频移，应有 以上推导是在理想的面光栅条件下进行的，考虑到声束的宽度，则当光波传播方向上声束的宽度L满足条件，才会产生多级衍射，否则从多级衍射过渡到单级衍射。 (2)布喇格衍射 产生布喇格衍射条件：声波频率较高，声光作用长度L较大，光束与声波波面间以一定的角度斜入射，介质具有“体光栅”的性质。 衍射光各高级次衍射光将互相抵消，只出现0级和+1级（或(1级）衍射光，这是布喇格衍射的特点，如图5所示。 若能合理选择参数，并使超声场足够强，可使入射光能量几乎全部转移到+1级（或(1级）衍射极值上。因此，利用布喇格衍射效应制成的声光器件可以获得较高的效率。 入射光1和2在B，C点反射的1(和2(同相位，则光程差AC-BD等于光波波长的整倍数 (2.4-8) 要使声波面上所有点同时满足这一条件，只有使 (2.4-9) 由C，E点反射的2(，3(同相位，则光程差FE＋EG必须等于光波波长的整数倍 (2.4-10) 考虑到，所以 (2.4-11) (B称为布喇格角。可见，只有入射角(i等于布喇格角(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，上式称为布喇格方程。 布喇格衍射光强度与声光材料特性和声场强度的关系。当入射光强为Ii时，布喇格声光衍射的0级和1级衍射光强的表达式可分别写成 (2.4-12) 。 得衍射效率 (2.4-13) 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（或声光优质指标），它是选择声光介质的主要指标之一；Ps超声功率；