西安电子科技大学-物理光学与应用光学-ppt-21.ppt

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1、5.2.2声光衍射超声波是一种弹性机械波，当它通过介质时，介质中各点将出现随时间和空间呈周期性变化的弹性应变，导致介质中产生随时间和空间呈周期性变化的弹光效应，结果使得介质中各点的折射率产生相应的周期性变化。当光通过有超声波作用的介质时，相位受到调制，其结果如同光通过一个衍射光栅，光栅间距等于声波波长，光束通过这个光栅时要产生衍射，这就是通常观察到的声光效应。由此可见，声光效应实质上是一种特殊的弹光效应。按照超声波频率的高低和介质中声光相互作用长度的不同，由声光效应产生的衍射有两种常用的极端情况

2、：喇曼—乃斯(Raman-Nath)衍射和布拉格衍射。衡量这两类衍射的参量是:L是声光相互作用长度；s是超声波长；是通过声光介质的光波长。当Q1(实践证明，Q≤0.3)时，为喇曼—乃斯衍射。当Q1(实际上，Q≥4)时，为布拉格衍射。在0.3

3、标量形式：式中，(n)M=n03PS/2表示折射率变化的最大幅值。则：该式表明，介质在超声波作用下，折射率沿x1方向出现正弦形式的增量，因而声光介质沿x1方向的折射率分布：n(x1,t)=n0(n)Msin(Ksx1t)如果光通过这种折射率发生了变化的介质，就会产生衍射。当超声波频率较低、声光作用区长度较短，光线垂直于超声波传播方向(平行于超声波波面)入射时，超声行波的作用可视为是与普通平面光栅相同的折射率光栅，频率为的平行光通过它时，将产生多级光衍射。所以在零级透射光两边，同级衍射

4、光强相等，这种各级衍射光强的对称分布是喇曼—乃斯型衍射的主要特征之一。相应各级衍射光的频率为m，即衍射光相对入射光有一个多普勒频移。各级衍射光的衍射角满足关系：ssin=mm=0,±1,…相应于第m级衍射的极值光强为：Ii是入射光强；V=2(n)ML/表示光通过声光介质后，由于折射率变化引起的附加相移；Jm(V)是第m阶贝塞尔函数，由于（2）超声驻波的情况在光电子技术的实际应用中，声光介质中的超声波可能是一个声驻波，在这种情况下，介质中沿x1方向的折射率分布为n(x1,

5、t)=n0(n)Msin(t)sin(Ksx1)光通过这种声光介质时，其衍射极大的方位角仍满足ssin=mm=0,±1,…各级衍射光强将随时间变化，正比于J2m(Vsint)，以2的频率被调制。这一点是容易理解的:因为声驻波使得声光介质内各点折射率增量在半个声波周期内均要同步地由“”变到“”，或由“”变到“”一次，故在其越过零点的一瞬间，各点的折射率增量均为零，此时各点的折射率相等，介质变为无声场作用情况，相应的非零级衍射光强必为零。理论分析指出，在声驻波的情况下，零级和

6、偶数级衍射光束中，同时有,2,4,…的频率成分；在奇数级衍射光束中，则同时有,3,…的频率成分。2.布拉格衍射布拉格衍射是在超声波频率较高、声光作用区较长、光线与超声波波面有一定角度斜入射时发生的。显著特点是衍射光强分布不对称，且只有零级和1或1级衍射光，如果恰当地选择参量，并且超声功率足够强，可以使入射光的能量几乎全部转移到零级或1级衍射极值方向上。因此，利用这种衍射方式制作的声光器件，工作效率很高。由于布拉格衍射工作方式的超声波频率较高，声光相互作用区较长，所

7、以必须考虑介质厚度的影响，其超声光栅应视为体光栅。(1)布拉格方程假设超声波面是部分反射、部分透射的镜面，各镜面间的距离为s。现有一平面光波A1B1C1相对声波面以I角入射，在声波面上的A2、B2、C2和A2等点产生部分反射。在相应于它们之间光程差为光波长的整数倍、或者它们之间相位差为2整数倍的衍射方向d上，光束相干增强。平面波在超声波面上的反射d①不同光线在同一声波面上形成同相位衍射光束的条件若入射光束A1B1在A2B2声波面上被衍射，入射角为i，衍射角为d。不同光线在同一声

8、波面上反射衍射光同相位的条件是光程差为波长的整数倍：A2CDB2=mm=0,±1,…其中，A2C=x1cosi；DB2=x1cosd。则x1(cosicosd)=m要对任意x1值均成立，只能是：m=0,i=d②同一入射光线在不同超声波面上形成同相位衍射光束的条件同一光束在不同声波面上反射s则：当=m时，出现衍射极大，即如果不同衍射光的光程差：③不同光线在不同超声波面上的衍射可以证明，在这种情况下，衍射极大的方向仍然需要满足2ssin=m所表示的条件。应当注意，