最新声波是一种弹性波(纵向应力波)课件ppt.ppt

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1、声波是一种弹性波(纵向应力波)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—，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)，则或者写成：这里n=-ksA，则行波时的折射率：此处n=-(1/2)no3PS，（1.3-3’)

2、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(激光器件与技术教程的附录Ⅲ)。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)声波的方程为当超声波频率较低，光波平行于声波面入射(即垂直于声场传播方向)，声光互作用长度L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λs比光波长λ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-纳斯衍射光波波阵面将推迟，而通过光学疏松

3、(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。？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=--=Dww1.3-62103PSnn-=D：注意设声光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λs(角频率ωs)，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

4、引起的弹性应变场可表示为根据前面的(1.3-3’)式，则有Ein=Aexp(iωct)(1.3-9)则在y＝L／2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)=no+nsin(ωst-ksx)(1.3-7)n(x,t)=no+nsin(ksx)(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

5、是一平面光波垂直入射的情况，它在声光介质的前表面y＝-L／2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(1.3-12)式中，l＝sinθ(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ν＝(Δn)kiL＝2π(Δn)L／λ代入上式(ν是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—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：+式中，Jr(υ)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=2π/λ)(1.3-15)（1.3

6、-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lki土mks＝0(m＝整数≥0)(1.3-14)当θ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θ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射光，它们分别对应于确定的衍射角θm(即传播方向)和衍射强度，其中衍射角由(1.3—15)式决定；而衍射光强由(1.3—16)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

7、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)(1.3—16)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。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ω＝ωi土mωs(1.3-17)而且各级衍射光强将受到角频率为2ωs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。当声波频率较高，声光作用长度L较大，而且光束与声波波面间以一定的角度斜入射时，光波在介质

8、中要穿过多