声光调制和扫描技术.ppt

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1、CH.5 声光调制和扫描技术声光调制和扫描技术一、弹光效应；一、弹光效应；二、声光衍射；二、声光衍射；三、声光衍射的量子解释；三、声光衍射的量子解释；四、声光相互作用耦合波方程；四、声光相互作用耦合波方程；五、磁光效应及器件应用；五、磁光效应及器件应用；六、直接调制。六、直接调制。弹光效应：声场作用弹光效应：声场作用形变形变附加电极化附加电极化折射率改变折射率改变弹光系数张量弹光系数张量定义定义弹光系数弹光系数四阶张量四阶张量 但但 本身不一定对称本身不一定对称 和和 均为对称张量，可以缩写均为对称张量，可以缩写s的前3个量与x、y、z方向上的纵向应变有关，后3元素与切向应变有关s1s2s4s

2、3s5s6弹光效应弹光效应折射率椭球的形变折射率椭球的形变折射率椭球变为：折射率椭球变为：以熔融石英为例，假设只以熔融石英为例，假设只有有 x 方向有伸缩应变：方向有伸缩应变：弹光系数张量弹光系数张量弹光效应弹光效应变为单轴晶体，加应变的变为单轴晶体，加应变的 x 方向为光轴方向方向为光轴方向感应折射率为：感应折射率为：弹光效应弹光效应：声场作用：声场作用形变形变附加电极化附加电极化折射率改变折射率改变弹光效应弹光效应声光衍射声光衍射声光衍射声光衍射声波通过介质声波通过介质介质中产生介质中产生随时间、空间周期变化的弹性随时间、空间周期变化的弹性波波折射率周期变化折射率周期变化相相当于当于“相位

3、光栅相位光栅”发生光发生光的衍射的衍射两种衍射：两种衍射：RamanNath 衍射衍射 声波频率较低（声波频率较低（较大）较大）声波波束窄声波波束窄 “面光栅面光栅”周期大周期大 声光作用距离短声光作用距离短Bragg 衍射衍射 声波频率较高（声波频率较高（较小）较小）声波波束宽声波波束宽 “体光栅体光栅”周期小周期小 声光作用距离长声光作用距离长光波光波波阵面波阵面声波波声波波阵面阵面RamanNath衍射衍射 （仍以熔融石英为例）（仍以熔融石英为例）平面纵声波沿平面纵声波沿 x 方向，声波波束宽度为方向，声波波束宽度为 L质点位移：质点位移：应变场：应变场：单色平面光波，单色平面光波，y

4、方向偏振，沿方向偏振，沿 z 方向传输方向传输相应折相应折射率：射率：光波波阵面声波波阵面与声场无关与声场无关与声场有关与声场有关声光衍射（到中心）（到中心）（到子波源（到子波源 dx）（程差）参照物理参照物理 光学的方法，求远场光学的方法，求远场 P 处的光强处的光强将将 z=L 处的波阵面分成许多子处的波阵面分成许多子波元波元 dx,子波元子波元 dx 对对 P 点处光场的贡献点处光场的贡献入射场入射场声光介质中声光介质中空气中空气中与与 dx 大大小成比例小成比例与与 x 无关无关与与 x 有关有关P 点处光强为从点处光强为从 到到 的积分的积分声光衍射其中其中欧拉公式欧拉公式积分结果积

5、分结果函数函数Bessell函函数公式数公式声光衍射讨论讨论 m 取不同值表示不同方向可能取得极大值取不同值表示不同方向可能取得极大值极大条件极大条件 m：衍射级次：衍射级次对比普通光栅对比普通光栅 可见可见 相当于光栅常数相当于光栅常数各级各级衍射光强：衍射光强：由由正、负同级次衍射光强度相等；正、负同级次衍射光强度相等；各级衍射光总和各级衍射光总和=入射光强入射光强功率守恒，但功率守恒，但各级都不强各级都不强各级各级衍射光均为单色光，但有频移：衍射光均为单色光，但有频移：声光栅是移动的声光栅是移动的衍射光频率：衍射光频率：一般可忽略频移一般可忽略频移声光衍射Bragg 衍射衍射 小、小、L

6、 大，大，体光栅体光栅折射率周期变化（周期折射率周期变化（周期 ）并沿）并沿 方向移动，可看作一系列移动的方向移动，可看作一系列移动的部分反射镜部分反射镜体光栅；体光栅；入射入射1 级级某一方向得到衍射光的条件：某一方向得到衍射光的条件：从同一从同一“镜面镜面”反射的光光程差为零；反射的光光程差为零；得到得到衍射角衍射角=入射角入射角相邻两相邻两“镜面镜面”反射的光，光程差反射的光，光程差=光波长整数倍光波长整数倍得到得到Bragg条件条件但没有考虑声波的移动但没有考虑声波的移动0 级级声光衍射判据判据：什么时候看作体光栅，什么时候看作面光栅什么时候看作体光栅，什么时候看作面光栅？光栅模型：光

7、栅模型：光密层，全不透光光密层，全不透光光疏层，全透光光疏层，全透光厚度分别为厚度分别为当光偏离正入射且当光偏离正入射且 时，上时，上半部分和下半部分的光程差半部分和下半部分的光程差 ，由同一光疏层得到的光最弱；由同一光疏层得到的光最弱；当长度当长度 后，后，相邻两光疏层相邻两光疏层输出的光不能相遇；输出的光不能相遇；则则Raman Nath 衍射衍射Bragg 衍射衍射由图由图由由声光衍射光程声光衍射的量子解释根据波粒二象性根据波粒二象性频率为频率为 ，波矢为，波矢为 的光波的光波 能量为能量为 ，动量为，动量为 的光子流的光子流频率为频率为 ，波矢为，波矢为 的声波的声波 能量为能量为 ，

8、动量为，动量为 的声子流的声子流两种情况两种情况入射光入射光衍射光衍射光声波声波迎向迎向光波，消耗一个光波，消耗一个 光子并吸收一个光子并吸收一个 声子，声子，放出放出 光子光子入射光入射光衍射光衍射光声波声波背着背着光波，消耗一个光波，消耗一个 光光子，放出一个子，放出一个 光光子和一个子和一个 声子声子服从服从 动量守恒动量守恒能量守恒能量守恒通常通常有有即即 与与 方向可能不同，但大小相等，波矢图是等腰三角形方向可能不同，但大小相等，波矢图是等腰三角形从波矢三角形从波矢三角形其中其中即即 Bragg 条件条件满足波矢匹配即满足满足波矢匹配即满足 Bragg 条件条件声光衍射的量子解释声光

9、相互作用可看成参量相互作用的过程，首先，由于声光相互作用可看成参量相互作用的过程，首先，由于声场声场的扰动，引起的扰动，引起介质介质电极化率电极化率在时间和空间上的周期变化，使入射光和介质中的超声波在时间和空间上的周期变化，使入射光和介质中的超声波耦合耦合而而产生了系列具有复合频率的极化波，其角频率和波矢量分别为产生了系列具有复合频率的极化波，其角频率和波矢量分别为这些极化波再辐射具有上述复合频率的次波，相应次波的辐射相干增强而这些极化波再辐射具有上述复合频率的次波，相应次波的辐射相干增强而形成各级衍射光。形成各级衍射光。声光相互作用耦合波方程声光相互作用耦合波方程 (了解了解)声光相互作用耦

10、合波方程由于声场扰动，介质中产生微扰电极化由于声场扰动，介质中产生微扰电极化是入射光电场与衍射光电场的叠加是入射光电场与衍射光电场的叠加声光介质中，普遍波动方程声光介质中，普遍波动方程如果都是线偏振光，可写为标量形式如果都是线偏振光，可写为标量形式对对i进行两次微商进行两次微商由于由于则则考虑同步项，忽略非同步项，即考虑同步项，忽略非同步项，即于是于是同样，同样，入射光波与衍射光波相互作用入射光波与衍射光波相互作用入射光波与衍射光波相互作用入射光波与衍射光波相互作用其中其中可见，可见，不存在声光相互作用，不存在声光相互作用只有指数部分为，两种场才有连续积累作用，只有指数部分为，两种场才有连续积

11、累作用，耦合系数当满足布拉格条件，当满足布拉格条件，rdriqqkdks耦合波方程耦合波方程当只有频率为当只有频率为的光束入射时，的光束入射时，并有，并有，在作用长度在作用长度rirdcosq q内，衍射光强与入射光强之比定义为声光衍射效率内，衍射光强与入射光强之比定义为声光衍射效率又又则则声光调制声光调制弹光系数有效应变与声波强度的关系声光调制器声光调制器(Acousto-optical Modulators)压电晶体：石英,LN压电半导体：CdS,ZnO基本原理基本原理改变应变即改变衍射效率 调制声光调制就是利用声光效应将信息加载于光频载波上的一种物理过程声光调制就是利用声光效应将信息加载

12、于光频载波上的一种物理过程调制信号以电信号（调制）形式作用于电声换能器上，再转换为随电信号形式变调制信号以电信号（调制）形式作用于电声换能器上，再转换为随电信号形式变化的超声场，当光通过声光介质时，由于声光作用，使光载波受到调制成为携带化的超声场，当光通过声光介质时，由于声光作用，使光载波受到调制成为携带信息的强度调制波信息的强度调制波当输入在一定范围内（小信号），当输入在一定范围内（小信号），获得线性调制。获得线性调制。RamanNath 衍射，要求工作频率较低，衍射，要求工作频率较低，z，相互作用长度小；，相互作用长度小；否则否则,工作频率高时，要求的声功率很高工作频率高时，要求的声功率很

13、高Bragg 衍射，在声功率较小时，衍射，在声功率较小时，声功率衍射效率随声强单调增加（线性关系）弹光系数PS=HLISRamanNath 衍射衍射,LL0当工作频率较大时，很小，于是很小，因而声光相互作用的区域L也很小，要满足相同的声光衍射效率，Ps必须很大弹光系数调制信号调制信号调制信号调制信号衍射光衍射光衍射光衍射光RamanNath 衍射衍射Bragg 衍射衍射声频带宽声频带宽又又调制带宽调制带宽调制带宽调制带宽调制带宽与声光通过光束的渡越时间（w0/vs)成反比即与光束直径成反比，用宽度小的光束可得大的调制宽度最小声波中心频率（Bragg衍射条件）声波强度声波功率超声功率一定时，为了

14、获得高衍射效率，应当选 M2 大的材料（品质好），并要求 L 大（作用长度长），H小（面积小，声强度大）。但是，但是，L 太大，会减小带宽太大，会减小带宽定义另一声光品质因素显示给定带宽和要求的声波功率之间的关系为兼顾带宽和效率的要求，应选 M1大的材料。M2=n6P2/rvs3换能器宽度考虑渡越时间考虑渡越时间定义第三个声光品质因素并考虑若考虑渡越时间的影响（如光的发散角大），并兼顾带宽和衍射效率，应选 M3 大的材料。弹光系数声光扫描原理：原理：利用调频声波，改变 大小而改变衍射光方向当 时，满足Bragg条件，波矢图闭合偏转角当声波频率改变声波波矢改变衍射光波矢大小不变，改变角度声光扫描

15、声光扫描偏转角与声频的改变成正比偏转角与声频的改变成正比声光扫描器的性能参量（了解）声光扫描器的性能参量（了解）.可分辨点数可分辨点数.偏转时间偏转时间.衍射效率衍射效率磁光效应及其应用磁光效应及其应用 光在晶体中沿光轴方向传播时，不产生双折射现象。但在很多晶体中，线偏振光沿光轴方向通过晶体后，偏振面却发生了旋转，这就是旋光效应旋光效应。旋光现象旋光现象 有些物质本来不具有旋光性质，但在磁场作用下却可表现出旋光性质，这种人为的旋光现象称为磁光效应磁光效应。1811年法国的阿喇果(D.F.J Arago)和毕奥(Biot)在石英晶体中观察到旋光现象。1846年法拉第发现人工旋光现象。旋光效应旋光

16、效应D.F.J Arago 1786-1853.冰洲石晶体冰洲石晶体无旋光现象无旋光现象旋光现象旋光现象石英晶体石英晶体旋光现象旋光现象磁光效应及其应用旋光现象的解释旋光现象的解释 唯象解释唯象解释：线偏光沿石英晶体光轴方向传播时，分解成左旋和右旋两支圆偏振光，这两者的传播相速不同（对应着不同的折射率n左和n右），光波由晶体射出时，较快的一支圆偏振光比较慢的一支位相超前。由于圆偏振光的电矢量E是在垂直光线的固定平面内作匀速圆周运动，所以位相就是E转动的角度，位相超前就是指它比另一支圆偏光的电矢量转过了绝对值较大的角度。因此两支圆偏光重新合成线偏光时，其偏振面相对于入射时转过了一个角度。若晶片厚

17、度为d，一束线偏光通过晶片后的旋转角应为旋光系数为：d0(n左 n右)0(n左 n右)当k为z方向,kx=ky=0,复介电常数张量为这是旋光性物质的介电常数具有的特点1845电法拉第(Faraday)在探索电磁现象和光学现象之间的联系时，发现了一种现象：当一束平面偏振光穿过介质时，如果在介质中，沿光的传播方向加上一个磁场，就会观察到光经过样品后偏振面转过一个角度，亦即磁场使介质具有了旋光性，这种现象后来就称为法拉第效应。(M.Faraday,17911867)磁光介质的介电系数张量磁光介质的介电系数张量受力分析左旋，向心力入射光为圆偏振光，电子在光场作用下作圆周运动电场力：外加恒定磁场 轨道平

18、面径向洛伦兹力：弹性恢复力：可以预见，对于左旋和右旋两种光，洛伦兹力有向心力和离心力两种情况，即左旋和右旋电子有不同轨道，相应不同的电偶极矩、极化强度和介电系数，即圆双折射。以 表征。束缚电子的运动方程加速度 弹性恢复力 电场力 洛伦兹力忽略了阻尼力考虑时谐场极化矢量 r 的方程变为 P 的方程设磁场沿 z 方向各偏振分量相等谐振频率回旋频率介质的极化强度解得 关系介电张量形式旋光晶体中磁场作用下 形式和自然旋光介质的介电系数张量相同,其本征矢是 （右旋圆偏振）、（左旋圆偏振）和 （线偏振）。预期，磁场作用下会产生旋光现象。法拉第旋转法拉第旋转设：介质在加磁场前各向同性（或立方晶体）光沿磁场方

19、向传播（前面已设 ）解得两种折射率，而且将解代回解为其中取+号时 领先，右旋 横波（）；传播模是两个圆偏振波；两个模有不同的传播常数。结果分析：磁场作用下，线偏振光经过晶体后仍然是线偏振光；振动面旋转的角度与沿光束传播方向的磁场强度 H和材料通光方向的长度L成正比写成V：费尔德常数(Verdet)V BL 在磁致旋光效应中，其旋转方向只决定于磁场方向，当线偏振光沿磁场 方向通过磁光介质时，振动面向右旋转角度；当光经反射后沿原路返回，若磁场方向、大小不变，振动面将朝同一个方向旋转角。法拉第效应是一 个不可逆过程。法拉第效应试验装置以上推导中，且同向，取正（旋向从 ），代表左旋；如磁场相反，旋向相

20、反，变成右旋如磁场不变，光反向传播，旋向（相对于传播方向）也相反也就是说，相对于绝对参考系，光向同一方向旋转，不可逆不可逆对比自然旋光，旋转方向与传播方向无关，可逆可逆法拉第效应:1)作为物质结构研究的手段，如根据结构不同的碳氢化合物其法拉第效应 2)的表现不同来分析碳氢化合物；2)半导体物理的研究中，测量载流子的有效质量和提供能带结构的知识；3)电工技术测量中，它还被用来测量电路中的电流和磁场；4)在激光技术中，利用法拉第效应的特性，制成了光波隔离器或单通器，这在激光多级放大技术和高分辨激光光谱技术中都是不可缺少的器件。5)在激光通讯、激光雷达等技术中，也应用了基于法拉第效应的光频环行器、调

21、制器等。磁光隔离器磁光隔离器磁光材料产生法拉第旋光效应 ，起偏与检偏夹角正向光，线偏振光通过 磁光介质后（调整 B或 L），偏振面旋转 ，正好通过 光纤隔离器：先将入射光偏振分光，两个偏振方向的光并行处理，然后合起来。反向光，-，偏振面同（空间）方向再转 ，与 成 ，不通过磁光器件磁光器件磁光隔离器磁光隔离器磁光器件磁光器件光学隔离器在激光光路中的应用磁致旋光只与磁场方向有关而与光传播方向无关光学非互易器件磁光调制器（电流传感器）磁光调制器（电流传感器）调制电流恒定磁场（偏置）调制磁场探测螺线管将电流调制信号变成磁场调制信号 ，法拉第旋转线偏光通过磁光介质，偏振面旋转，转角 磁场（电流）检偏 起偏 ，检出偏转角大小测出电流变化恒定磁场偏置，以获得较好线性调制磁场