光電子技術(shù)(聲光調(diào)制和聲光偏轉(zhuǎn))課件

1、光電子技術(shù)(聲光調(diào)制和聲光偏轉(zhuǎn)) 4.6.1超聲波的概念超聲波的概念 4.6.2聲光效應聲光效應 4.6.3拉曼拉曼奈斯衍射奈斯衍射 4.6.4布拉格衍射布拉格衍射 4.6.5聲光調(diào)制聲光調(diào)制 4.6.6聲光偏轉(zhuǎn)聲光偏轉(zhuǎn)光電子技術(shù)(聲光調(diào)制和聲光偏轉(zhuǎn)) 世界因為有了聲音而充滿歡樂。我們平常聽世界因為有了聲音而充滿歡樂。我們平常聽到的各種聲音只是聲音世界中的一部分，范圍在到的各種聲音只是聲音世界中的一部分，范圍在2020赫茲至赫茲至2000020000赫茲之間，而赫茲之間，而2000020000赫茲以上的聲赫茲以上的聲音是超聲，盡管聽不到，卻很有意義。音是超聲，盡管聽不到，卻很有意義。 超聲波有

2、兩個特點，一個是超聲波有兩個特點，一個是能量大能量大，一個是，一個是沿直線傳播沿直線傳播。它的應用就是按照這兩個特點展開。它的應用就是按照這兩個特點展開的。的。 理論研究表明，在振幅相同的情況下，一個理論研究表明，在振幅相同的情況下，一個物體振動的能量跟振動頻率的二次方成正比超物體振動的能量跟振動頻率的二次方成正比超聲波在介質(zhì)中傳播時，介質(zhì)質(zhì)點振動的頻率很高，聲波在介質(zhì)中傳播時，介質(zhì)質(zhì)點振動的頻率很高，因而能量很大。因而能量很大。光電子技術(shù)(聲光調(diào)制和聲光偏轉(zhuǎn)) 蝙蝠非常善于使用超聲。它們用喉頭發(fā)出蝙蝠非常善于使用超聲。它們用喉頭發(fā)出2020千赫至千赫至120120千赫之間千赫之間的超聲啾鳴，

3、用耳朵接收障礙物的反射回波，以這個回波來判斷獵的超聲啾鳴，用耳朵接收障礙物的反射回波，以這個回波來判斷獵物的距離、方位、形狀和速度。那份靈巧和精確讓人瞠目。物的距離、方位、形狀和速度。那份靈巧和精確讓人瞠目。 模仿蝙蝠使用超聲的道理，人類發(fā)明了聲納這種裝在船只及潛模仿蝙蝠使用超聲的道理，人類發(fā)明了聲納這種裝在船只及潛艇上的裝置。艇上的裝置。 靠超聲在水中傳播時碰到物體產(chǎn)生回波，來測定距離，靠超聲在水中傳播時碰到物體產(chǎn)生回波，來測定距離，確定位置。能發(fā)現(xiàn)對手，或保證航行安全。確定位置。能發(fā)現(xiàn)對手，或保證航行安全。 合成孔徑聲納可以用于海底測量，水下考古和搜尋水下失落物體等，尤其可以進行高分辨海底

4、測繪，對數(shù)字地球研究具有重要的意義。 光電子技術(shù)(聲光調(diào)制和聲光偏轉(zhuǎn))可攔截魚雷的脈沖聲波發(fā)射系統(tǒng)可攔截魚雷的脈沖聲波發(fā)射系統(tǒng) 在探測到敵方發(fā)射的魚雷后，這些聲波轉(zhuǎn)換在探測到敵方發(fā)射的魚雷后，這些聲波轉(zhuǎn)換器可在瞬間發(fā)射出高能脈沖聲波，其強度足以摧器可在瞬間發(fā)射出高能脈沖聲波，其強度足以摧毀或者提前引爆被鎖定的魚雷。由于是在水下，毀或者提前引爆被鎖定的魚雷。由于是在水下，聲波攔截魚雷時的速度可達聲波攔截魚雷時的速度可達1.51.5千米千米/ /秒。秒。 光電子技術(shù)(聲光調(diào)制和聲光偏轉(zhuǎn)) 超聲不僅是信息載體，還是一種能量形式，在傳播時可超聲不僅是信息載體，還是一種能量形式，在傳播時可以進行能量的轉(zhuǎn)

5、換。超聲波加濕器就是一個很簡單的例子。它以進行能量的轉(zhuǎn)換。超聲波加濕器就是一個很簡單的例子。它的關鍵部件是的關鍵部件是壓電陶瓷壓電陶瓷，通電之后，把高頻電轉(zhuǎn)化為超聲，使，通電之后，把高頻電轉(zhuǎn)化為超聲，使很強的超聲波從下方發(fā)出。在水面的局部小區(qū)域內(nèi)，聲能轉(zhuǎn)化很強的超聲波從下方發(fā)出。在水面的局部小區(qū)域內(nèi)，聲能轉(zhuǎn)化為機械能，引發(fā)起強大的機械力，把水為機械能，引發(fā)起強大的機械力，把水“打碎打碎”，并噴射出來，并噴射出來，形成水霧，加濕空氣。形成水霧，加濕空氣。 在我國北方干燥的冬季，如果把超聲波通入水罐中，劇烈在我國北方干燥的冬季，如果把超聲波通入水罐中，劇烈的振動會使罐中的水破碎成許多小霧滴，再用小

6、風扇把霧滴吹的振動會使罐中的水破碎成許多小霧滴，再用小風扇把霧滴吹入室內(nèi)，就可以增加室內(nèi)空氣的濕度這就是超聲波加濕器的入室內(nèi)，就可以增加室內(nèi)空氣的濕度這就是超聲波加濕器的原理。原理。 對于咽喉炎、氣管炎等疾病，藥力很難達到患病的部對于咽喉炎、氣管炎等疾病，藥力很難達到患病的部位利用加濕器的原理，把藥液霧化，讓病人吸入，能夠增進位利用加濕器的原理，把藥液霧化，讓病人吸入，能夠增進療效利用超聲波的巨大能量還可以把人體內(nèi)的結(jié)石擊碎療效利用超聲波的巨大能量還可以把人體內(nèi)的結(jié)石擊碎光電子技術(shù)(聲光調(diào)制和聲光偏轉(zhuǎn)) 超聲清洗。把表面生銹和沾有臟污的物體浸泡在水一類的清超聲清洗。把表面生銹和沾有臟污的物體浸

7、泡在水一類的清洗液中，送入一定量的超聲，使污物從工件表面脫落下來。金銀珠洗液中，送入一定量的超聲，使污物從工件表面脫落下來。金銀珠寶配帶久了，失去光澤，變得難以入目，化學清洗會損傷飾物表面，寶配帶久了，失去光澤，變得難以入目，化學清洗會損傷飾物表面，而超聲清洗可以整舊如新取得理想的效果。而超聲清洗可以整舊如新取得理想的效果。 超聲懸浮是借助超聲產(chǎn)生的強大聲場將顆?；蛞旱瓮衅?，在密超聲懸浮是借助超聲產(chǎn)生的強大聲場將顆粒或液滴托起，在密閉裝置內(nèi)進行實驗，保持超純度，超精度。超聲馬達是利用壓電陶閉裝置內(nèi)進行實驗，保持超純度，超精度。超聲馬達是利用壓電陶瓷把電信號轉(zhuǎn)化成超聲振動，產(chǎn)生一定的力，帶動馬達

8、工作，平穩(wěn)、瓷把電信號轉(zhuǎn)化成超聲振動，產(chǎn)生一定的力，帶動馬達工作，平穩(wěn)、速度可調(diào)、不怕磁干擾，小的可用于相機的變焦鏡頭，大的甚至可速度可調(diào)、不怕磁干擾，小的可用于相機的變焦鏡頭，大的甚至可以代替現(xiàn)有的汽車馬達。超聲焊接是利用超聲的高頻振動，把兩個以代替現(xiàn)有的汽車馬達。超聲焊接是利用超聲的高頻振動，把兩個不同的物件連接在一起，因為它基本不發(fā)熱、不變形，在微電子工不同的物件連接在一起，因為它基本不發(fā)熱、不變形，在微電子工業(yè)中用來焊接集成電路芯片，尤其是它能焊接某些特殊的稀有金屬，業(yè)中用來焊接集成電路芯片，尤其是它能焊接某些特殊的稀有金屬，在核工業(yè)、空間技術(shù)等領域可以開發(fā)更多的用途。在核工業(yè)、空間技

9、術(shù)等領域可以開發(fā)更多的用途。 光電子技術(shù)(聲光調(diào)制和聲光偏轉(zhuǎn))光電子技術(shù)(聲光調(diào)制和聲光偏轉(zhuǎn)) 4.6.1超聲波的概念超聲波的概念 4.6.2聲光效應聲光效應 4.6.3拉曼拉曼奈斯衍射奈斯衍射 4.6.4布拉格衍射布拉格衍射 4.6.5聲光調(diào)制聲光調(diào)制 4.6.6聲光偏轉(zhuǎn)聲光偏轉(zhuǎn)光電子技術(shù)(聲光調(diào)制和聲光偏轉(zhuǎn)) 晶體光學性質(zhì)的變化，不僅可以通過外加電晶體光學性質(zhì)的變化，不僅可以通過外加電場的作用實現(xiàn)，外力的作用也能夠造成折射率的場的作用實現(xiàn)，外力的作用也能夠造成折射率的改變。改變。 彈光效應：由于外力作用而引起介質(zhì)光學性彈光效應：由于外力作用而引起介質(zhì)光學性質(zhì)變化的現(xiàn)象。質(zhì)變化的現(xiàn)象。 聲波

10、作為一種彈性波，在晶體中傳播時，會聲波作為一種彈性波，在晶體中傳播時，會造成介質(zhì)密度的疏密變化，使得介質(zhì)的折射率分造成介質(zhì)密度的疏密變化，使得介質(zhì)的折射率分布也隨之改變。布也隨之改變。 聲光效應：由于聲波作用而引起光學性質(zhì)變聲光效應：由于聲波作用而引起光學性質(zhì)變化的現(xiàn)象，聲光效應是彈光效應的一種。化的現(xiàn)象，聲光效應是彈光效應的一種。光電子技術(shù)(聲光調(diào)制和聲光偏轉(zhuǎn))聲光效應與電光效應聲光效應與電光效應 相似之處：相似之處： 晶體在受到外部作用后，才出現(xiàn)光學性質(zhì)的變晶體在受到外部作用后，才出現(xiàn)光學性質(zhì)的變化，具體表現(xiàn)為折射率的分布發(fā)生改變?；?，具體表現(xiàn)為折射率的分布發(fā)生改變。 區(qū)別：區(qū)別：電光效應

11、中，外加電場的加入是起因。電光效應中，外加電場的加入是起因。聲光效應中，造成折射率變化的因素是應變或聲光效應中，造成折射率變化的因素是應變或應力。應力。光電子技術(shù)(聲光調(diào)制和聲光偏轉(zhuǎn)) 4.6.1超聲波的概念超聲波的概念 4.6.2聲光效應聲光效應 4.6.3拉曼拉曼奈斯衍射奈斯衍射 4.6.4布拉格衍射布拉格衍射 4.6.5聲光調(diào)制聲光調(diào)制 4.6.6聲光偏轉(zhuǎn)聲光偏轉(zhuǎn)光電子技術(shù)(聲光調(diào)制和聲光偏轉(zhuǎn)) 1 1、聲光衍射的定性描述：在晶體中傳播的超聲、聲光衍射的定性描述：在晶體中傳播的超聲波，會造成晶體的局部壓縮或伸長，這種由于機波，會造成晶體的局部壓縮或伸長，這種由于機械應力引起的彈光效應使晶

12、體的介電常量發(fā)生變械應力引起的彈光效應使晶體的介電常量發(fā)生變化，因而折射率也發(fā)生變化?；?，因而折射率也發(fā)生變化。 2 2、在介質(zhì)中形成了周期性的有不同折射率的間、在介質(zhì)中形成了周期性的有不同折射率的間隔層，這些層以聲速運動，層間保持聲波波長一隔層，這些層以聲速運動，層間保持聲波波長一半（半（s s/2/2）的距離，當光通過這種分層結(jié)構(gòu)時，）的距離，當光通過這種分層結(jié)構(gòu)時，就發(fā)生衍射，引起就發(fā)生衍射，引起光強度、頻率和方向光強度、頻率和方向隨超聲場隨超聲場的變化的變化。光電子技術(shù)(聲光調(diào)制和聲光偏轉(zhuǎn))聲光衍射聲光衍射根據(jù)光波波長、聲波波長，以及相互作用根據(jù)光波波長、聲波波長，以及相互作用區(qū)域的長

13、度等因素，將聲光衍射分為：區(qū)域的長度等因素，將聲光衍射分為：拉曼拉曼奈斯衍射奈斯衍射布拉格衍射布拉格衍射光電子技術(shù)(聲光調(diào)制和聲光偏轉(zhuǎn)) 1 1、在低聲頻和聲波束的寬度（即聲光相互作用）、在低聲頻和聲波束的寬度（即聲光相互作用）L L不大的情況下且不大的情況下且k kk ks s時可以將聲光介質(zhì)看成一時可以將聲光介質(zhì)看成一塊普通的位相光柵。塊普通的位相光柵。 2 2、光束在介質(zhì)中傳播時，由于折射率隨介質(zhì)密、光束在介質(zhì)中傳播時，由于折射率隨介質(zhì)密度的變化，使得出射光波的波前已不再是平面波度的變化，使得出射光波的波前已不再是平面波的波面，而是波浪狀曲面。波面上的各點作為次的波面，而是波浪狀曲面。波

14、面上的各點作為次波源，發(fā)出子波在空間相互干涉而形成多級衍射波源，發(fā)出子波在空間相互干涉而形成多級衍射條紋。這種類似于普通面光柵的作用而產(chǎn)生的聲條紋。這種類似于普通面光柵的作用而產(chǎn)生的聲光衍射，就稱為光衍射，就稱為拉曼拉曼奈斯衍射奈斯衍射。光電子技術(shù)(聲光調(diào)制和聲光偏轉(zhuǎn)) 對于垂直入射情形，相對對于垂直入射情形，相對于于0 0度方向的衍射極值角度度方向的衍射極值角度方向由公式方向由公式sL聲波陣面聲波陣面, 2, 1, 0sinmmsm式中式中mm為第為第m m級衍射極值的偏角。級衍射極值的偏角。光電子技術(shù)(聲光調(diào)制和聲光偏轉(zhuǎn)) 拉曼拉曼奈斯衍射時，入射光在相互作用區(qū)奈斯衍射時，入射光在相互作用

15、區(qū)內(nèi)部的傳播方向仍保持直線方向，而與折內(nèi)部的傳播方向仍保持直線方向，而與折射率變化有關的介質(zhì)的光學不均勻性只對射率變化有關的介質(zhì)的光學不均勻性只對通過聲柱的光的相位發(fā)生影響。通過聲柱的光的相位發(fā)生影響。 聲波的作用可歸結(jié)為形成以聲速運動的、聲波的作用可歸結(jié)為形成以聲速運動的、周期等于聲波周期的相位光柵周期等于聲波周期的相位光柵，因而這種，因而這種衍射遵循普通相位光柵的衍射定律。衍射遵循普通相位光柵的衍射定律。光電子技術(shù)(聲光調(diào)制和聲光偏轉(zhuǎn)) 4.6.1超聲波的概念超聲波的概念 4.6.2聲光效應聲光效應 4.6.3拉曼拉曼奈斯衍射奈斯衍射 4.6.4布拉格衍射布拉格衍射1、布拉格條件、布拉格條

16、件2、聲光衍射的量子解釋、聲光衍射的量子解釋3、聲光相互作用的理論分析、聲光相互作用的理論分析 4.6.5聲光調(diào)制聲光調(diào)制 4.6.6聲光偏轉(zhuǎn)聲光偏轉(zhuǎn)光電子技術(shù)(聲光調(diào)制和聲光偏轉(zhuǎn)) 在高聲頻和相互作用長度較大的情況下，并在高聲頻和相互作用長度較大的情況下，并且光束與聲波波面成一定角度入射時，發(fā)生布拉且光束與聲波波面成一定角度入射時，發(fā)生布拉格衍射。其衍射光譜只出現(xiàn)零級和格衍射。其衍射光譜只出現(xiàn)零級和+1級或零級和級或零級和-1級。級。 如果參數(shù)選擇合適，超聲功率足夠強，入射如果參數(shù)選擇合適，超聲功率足夠強，入射光幾乎可以全部轉(zhuǎn)移到光幾乎可以全部轉(zhuǎn)移到+1級或級或-1級上，因為布拉級上，因為布

17、拉格衍射有著較高的轉(zhuǎn)換效率，所以它比拉曼格衍射有著較高的轉(zhuǎn)換效率，所以它比拉曼奈奈斯衍射應用更為廣泛。斯衍射應用更為廣泛。光電子技術(shù)(聲光調(diào)制和聲光偏轉(zhuǎn))結(jié)論結(jié)論的整數(shù)倍應該為BDAC 同一鏡面上任意兩點的貢獻應同相同一鏡面上任意兩點的貢獻應同相(圖圖4-16)svrBCDAiiNoImageNoImagex入射光束入射光束衍射光束衍射光束光電子技術(shù)(聲光調(diào)制和聲光偏轉(zhuǎn)) 相鄰兩鏡面的反射光的相位應該相同（圖相鄰兩鏡面的反射光的相位應該相同（圖4-17） ns2sin布拉格衍射公式布拉格衍射公式光電子技術(shù)(聲光調(diào)制和聲光偏轉(zhuǎn))拉曼拉曼奈斯衍射與布拉格衍射的界定奈斯衍射與布拉格衍射的界定 拉曼拉

18、曼奈斯衍射與布拉格衍射的判斷依奈斯衍射與布拉格衍射的判斷依據(jù)聲光相互作用特征長度據(jù)聲光相互作用特征長度L0來表示：來表示：20sL 拉曼拉曼奈斯衍射奈斯衍射22120sLL布拉格衍射布拉格衍射2022sLL光電子技術(shù)(聲光調(diào)制和聲光偏轉(zhuǎn)) 根據(jù)光和聲的波粒二象性，可得知許多聲波根據(jù)光和聲的波粒二象性，可得知許多聲波對光都具有產(chǎn)生布喇格衍射的特性。據(jù)此模型，對光都具有產(chǎn)生布喇格衍射的特性。據(jù)此模型，具有傳播矢量具有傳播矢量k、頻率為、頻率為的一道光束可以看成是的一道光束可以看成是由動量由動量k為和能量為和能量 (h/2，h h為普郎克常為普郎克常數(shù)數(shù))的粒子束的粒子束(即光子即光子)組成。同樣，

19、聲波也可視為組成。同樣，聲波也可視為由動量由動量k s和能量和能量 s的粒子的粒子(聲子聲子)所組成。圖所組成。圖4-16所示的衍射可看成是光子與聲子的碰撞，每一所示的衍射可看成是光子與聲子的碰撞，每一次碰撞引起一個入射光子和一個聲子消失，同時次碰撞引起一個入射光子和一個聲子消失，同時沿散射光方向產(chǎn)生一個新的光子。沿散射光方向產(chǎn)生一個新的光子。 光電子技術(shù)(聲光調(diào)制和聲光偏轉(zhuǎn))能量守恒能量守恒決定了衍射光的頻率決定了衍射光的頻率isdisdkkkkkkisdisd動量守恒動量守恒決定了衍射波的方向決定了衍射波的方向光電子技術(shù)(聲光調(diào)制和聲光偏轉(zhuǎn))布拉格衍射波矢圖布拉格衍射波矢圖入射光入射光衍射

20、光衍射光i入射光入射光衍射光衍射光idikdkiksdikdkiks光電子技術(shù)(聲光調(diào)制和聲光偏轉(zhuǎn))電場對電極化矢量的影響：電場對電極化矢量的影響：enp) 1(20),(),(2),(0tretrntrp),(),(22222trpttetreNLdddiiiptteepttee)()(2222222222折射率變化對電極化矢量的影響：折射率變化對電極化矢量的影響：由麥氏方程，有：由麥氏方程，有：上式對入射波和衍射波均成立，故可寫成兩個標量方程：上式對入射波和衍射波均成立，故可寫成兩個標量方程：入射光入射光衍射光衍射光光電子技術(shù)(聲光調(diào)制和聲光偏轉(zhuǎn)) 設該波動方程有如下形式的解：設該波動方程

21、有如下形式的解：ccerEtreccerEtrerktjdddrktjiiiddii)()()(21),()(21),(iddiEjdtdEEjdtdE 將解帶入標量方程，再注意到能量守恒和動量守恒，可得將解帶入標量方程，再注意到能量守恒和動量守恒，可得到耦合波方程：到耦合波方程：)sin()0()cos()0()()sin()0()cos()0()(diddddiiiiiirjErErErjErErE光電子技術(shù)(聲光調(diào)制和聲光偏轉(zhuǎn)) 在考慮到只有頻率為在考慮到只有頻率為i光束入射，且光束入射，且Ed(0)=0(0)=0時，最時，最終結(jié)果為終結(jié)果為：)sin()0()()cos()0()(di

22、ddiiiirjErErErE重要結(jié)論：重要結(jié)論：1）、對任意的）、對任意的ri ， rd ，光場的總能量是守恒的光場的總能量是守恒的.2）、當）、當 時，入射波將全部轉(zhuǎn)化成衍射波，時，入射波將全部轉(zhuǎn)化成衍射波，這就是布拉格衍射最大的優(yōu)點。正是這一優(yōu)點使得布拉這就是布拉格衍射最大的優(yōu)點。正是這一優(yōu)點使得布拉格聲光調(diào)制器件得到大量的應用。格聲光調(diào)制器件得到大量的應用。2dirr光電子技術(shù)(聲光調(diào)制和聲光偏轉(zhuǎn)) 4.6.1超聲波的概念超聲波的概念 4.6.2聲光效應聲光效應 4.6.3拉曼拉曼奈斯衍射奈斯衍射 4.6.4布拉格衍射布拉格衍射 4.6.5聲光調(diào)制聲光調(diào)制 4.6.6聲光偏轉(zhuǎn)聲光偏轉(zhuǎn)光

23、電子技術(shù)(聲光調(diào)制和聲光偏轉(zhuǎn)) 衍射效率的定義為：衍射效率的定義為：衍射EErdid2220( )sin ()IId0衍射衍射 sin ()22lMIs衍射光強為：衍射光強為：考慮到聲光材料的具體參數(shù)，考慮到聲光材料的具體參數(shù)， 可表示為：可表示為： 最終決定衍射光強的是聲波的強度最終決定衍射光強的是聲波的強度Is,通過變化聲強可通過變化聲強可以達到調(diào)制衍射光強的目的。以達到調(diào)制衍射光強的目的。光電子技術(shù)(聲光調(diào)制和聲光偏轉(zhuǎn)) 從原理上講，聲光效應即可用于光強從原理上講，聲光效應即可用于光強調(diào)制，也可以用于頻率調(diào)制。由于衍射光調(diào)制，也可以用于頻率調(diào)制。由于衍射光的頻率不再與入射光相同，其改變量

24、決定的頻率不再與入射光相同，其改變量決定于聲波頻率，因而可以通過控制聲波驅(qū)動于聲波頻率，因而可以通過控制聲波驅(qū)動電信號來實現(xiàn)頻率調(diào)制。但是，由于聲波電信號來實現(xiàn)頻率調(diào)制。但是，由于聲波頻率遠低于光波頻率，頻率調(diào)制的意義不頻率遠低于光波頻率，頻率調(diào)制的意義不大。大。光電子技術(shù)(聲光調(diào)制和聲光偏轉(zhuǎn))拉曼拉曼奈斯聲光調(diào)制器奈斯聲光調(diào)制器調(diào)制信號att00.51光電子技術(shù)(聲光調(diào)制和聲光偏轉(zhuǎn))布拉格聲光調(diào)制器布拉格聲光調(diào)制器調(diào)制信號btt衍射 sin ()22lMIs光電子技術(shù)(聲光調(diào)制和聲光偏轉(zhuǎn)) 電視機接收到的圖像和聲音是由電視臺將聲光信號調(diào)電視機接收到的圖像和聲音是由電視臺將聲光信號調(diào)制為電信號

25、發(fā)射出來的。電視機接收到電信號再經(jīng)過解制為電信號發(fā)射出來的。電視機接收到電信號再經(jīng)過解調(diào)，還原成圖像和聲音。激光打印機激光器射出的光束調(diào)，還原成圖像和聲音。激光打印機激光器射出的光束也載有數(shù)據(jù)信息，這些信息的轉(zhuǎn)換過程也類似于電視機也載有數(shù)據(jù)信息，這些信息的轉(zhuǎn)換過程也類似于電視機信息傳遞過程。只是此過程是由聲光調(diào)制器轉(zhuǎn)換的。聲信息傳遞過程。只是此過程是由聲光調(diào)制器轉(zhuǎn)換的。聲光調(diào)制器的調(diào)制頻率可達光調(diào)制器的調(diào)制頻率可達30MHz左右，特性穩(wěn)定，因此左右，特性穩(wěn)定，因此大多數(shù)的激光打印機都采用這種調(diào)制器。大多數(shù)的激光打印機都采用這種調(diào)制器。 聲光調(diào)制器的工作原理是利用聲光效應所產(chǎn)生的布聲光調(diào)制器的工

26、作原理是利用聲光效應所產(chǎn)生的布雷格衍射的特雷格衍射的特 點，實現(xiàn)對激光束傳播方向的控制。激光點，實現(xiàn)對激光束傳播方向的控制。激光束欲完成圖文信息的映像任務，必須用圖文信息進行調(diào)束欲完成圖文信息的映像任務，必須用圖文信息進行調(diào)制，恰如電視臺將圖像及聲音信號調(diào)制到無線電波上去，制，恰如電視臺將圖像及聲音信號調(diào)制到無線電波上去，方能在電視機中解調(diào)出圖像與方能在電視機中解調(diào)出圖像與 聲音信號一樣。聲音信號一樣。光電子技術(shù)(聲光調(diào)制和聲光偏轉(zhuǎn)) 4.6.1超聲波的概念超聲波的概念 4.6.2聲光效應聲光效應 4.6.3拉曼拉曼奈斯衍射奈斯衍射 4.6.4布拉格衍射布拉格衍射 4.6.5聲光調(diào)制聲光調(diào)制

27、4.6.6聲光偏轉(zhuǎn)聲光偏轉(zhuǎn)光電子技術(shù)(聲光調(diào)制和聲光偏轉(zhuǎn))kkkdsi布拉格衍射的前提是動量守恒布拉格衍射的前提是動量守恒dkiksk2sssvk光電子技術(shù)(聲光調(diào)制和聲光偏轉(zhuǎn)) 聲波頻率（波矢）的改變將引起動量三角形的失配，結(jié)果聲波頻率（波矢）的改變將引起動量三角形的失配，結(jié)果是衍射光波的大小幾乎不變，但其方向?qū)⑾騽恿渴渥钚〉姆较蚴茄苌涔獠ǖ拇笮缀醪蛔?，但其方向?qū)⑾騽恿渴渥钚〉姆较蚱D(zhuǎn)。偏轉(zhuǎn)角為：偏轉(zhuǎn)。偏轉(zhuǎn)角為：kknvdss 通常定義絕對偏轉(zhuǎn)角通常定義絕對偏轉(zhuǎn)角同光束發(fā)散角的比值為聲光偏轉(zhuǎn)器同光束發(fā)散角的比值為聲光偏轉(zhuǎn)器的的可分辨光斑數(shù)目可分辨光斑數(shù)目N。ssssDD衍射sN 是聲波

28、穿過光束直徑所花的時間，通常稱為偏轉(zhuǎn)器的偏是聲波穿過光束直徑所花的時間，通常稱為偏轉(zhuǎn)器的偏轉(zhuǎn)時間。當聲波從頻率轉(zhuǎn)時間。當聲波從頻率1 1變?yōu)樽優(yōu)? 2時，由于聲波傳播需要一定的時，由于聲波傳播需要一定的時間，開始時只是在聲波源附近的聲波頻率為時間，開始時只是在聲波源附近的聲波頻率為2 2，因此只有此，因此只有此處的光波衍射角由處的光波衍射角由1 1變?yōu)樽優(yōu)? 2。只有經(jīng)過。只有經(jīng)過后，整個光束截面上的后，整個光束截面上的聲波才能都變?yōu)轭l率聲波才能都變?yōu)轭l率2 2 ，衍射光束才能全部偏轉(zhuǎn)到，衍射光束才能全部偏轉(zhuǎn)到2方向，相方向，相應的偏轉(zhuǎn)速度是應的偏轉(zhuǎn)速度是1/。光電子技術(shù)(聲光調(diào)制和聲光偏轉(zhuǎn))

29、討論：偏轉(zhuǎn)角能否任意加大？討論：偏轉(zhuǎn)角能否任意加大？ 不能靠增大來增加偏轉(zhuǎn)角度，否則將不能靠增大來增加偏轉(zhuǎn)角度，否則將使器件偏離布喇格條件甚遠，引起衍射使器件偏離布喇格條件甚遠，引起衍射效率急劇下降，失去實用意義。效率急劇下降，失去實用意義。 光電子技術(shù)(聲光調(diào)制和聲光偏轉(zhuǎn))復習復習 聲光效應聲光效應 聲光衍射聲光衍射拉曼拉曼奈斯衍射奈斯衍射布拉格衍射布拉格衍射布拉格條件布拉格條件聲光衍射的量子解釋聲光衍射的量子解釋 聲光調(diào)制聲光調(diào)制拉曼拉曼奈斯聲光調(diào)制器奈斯聲光調(diào)制器布拉格聲光調(diào)制器布拉格聲光調(diào)制器 聲光偏轉(zhuǎn)聲光偏轉(zhuǎn)光電子技術(shù)(聲光調(diào)制和聲光偏轉(zhuǎn))聲光器件最新動態(tài)聲光器件最新動態(tài) 美國國家健

30、康研究院美國國家健康研究院(NIH)(NIH)的一個研究小組的一個研究小組使用使用BrimroseBrimrose公司的公司的聲光可調(diào)濾波器聲光可調(diào)濾波器(AOTF)(AOTF)作為作為核心部件，成功地研制出用于生物醫(yī)學研究的拉核心部件，成功地研制出用于生物醫(yī)學研究的拉曼成像顯微鏡。曼成像顯微鏡。光電子技術(shù)(聲光調(diào)制和聲光偏轉(zhuǎn))聲光偏轉(zhuǎn)器件聲光偏轉(zhuǎn)器件光電子技術(shù)(聲光調(diào)制和聲光偏轉(zhuǎn)) 線偏振光沿著光軸方向傳播時，不會產(chǎn)生光的雙線偏振光沿著光軸方向傳播時，不會產(chǎn)生光的雙折射。但在某些晶體中，卻存在一種特殊的現(xiàn)象：光在折射。但在某些晶體中，卻存在一種特殊的現(xiàn)象：光在傳播了一段距離后，偏振面旋轉(zhuǎn)了一

31、定的角度。這就是傳播了一段距離后，偏振面旋轉(zhuǎn)了一定的角度。這就是旋光現(xiàn)象，一些物質(zhì)（包括晶體以及一些各向同性的氣旋光現(xiàn)象，一些物質(zhì)（包括晶體以及一些各向同性的氣體、液體）本身就具有這種特性，稱為天然旋光物質(zhì)。體、液體）本身就具有這種特性，稱為天然旋光物質(zhì)。也有些晶體，在受到磁場作用時，會表現(xiàn)出旋光特性，也有些晶體，在受到磁場作用時，會表現(xiàn)出旋光特性，具有人為旋光性質(zhì)。具有人為旋光性質(zhì)。18451845年法拉第首先發(fā)現(xiàn)了這個現(xiàn)象，年法拉第首先發(fā)現(xiàn)了這個現(xiàn)象，因而也稱為法拉第效應。因而也稱為法拉第效應。光電子技術(shù)(聲光調(diào)制和聲光偏轉(zhuǎn)) 法拉第效應法拉第效應VBLVB起偏器起偏器檢偏器檢偏器入射光入

32、射光出射光出射光 V 稱為費爾德常數(shù)稱為費爾德常數(shù),與物質(zhì)的性質(zhì)、溫度以及光的頻率（波長）有關。在與物質(zhì)的性質(zhì)、溫度以及光的頻率（波長）有關。在一定物質(zhì)中不論光是沿磁場方向或逆磁場方向傳播，振動面的轉(zhuǎn)向都一樣，一定物質(zhì)中不論光是沿磁場方向或逆磁場方向傳播，振動面的轉(zhuǎn)向都一樣，只由磁場方向決定。若轉(zhuǎn)向與磁場方向成右手螺旋關系只由磁場方向決定。若轉(zhuǎn)向與磁場方向成右手螺旋關系,該物質(zhì)的該物質(zhì)的V 取為正值，取為正值，即即0。這樣，光來回傳播同樣距離后，其振動面的轉(zhuǎn)角等于單程轉(zhuǎn)角的兩倍。這樣，光來回傳播同樣距離后，其振動面的轉(zhuǎn)角等于單程轉(zhuǎn)角的兩倍。 V 0左旋，左旋， V 0右旋。右旋。光電子技術(shù)(聲

33、光調(diào)制和聲光偏轉(zhuǎn)) 控制電壓，即可控制旋光角度，從而控制第二個偏振片后的光強，最終控制電壓，即可控制旋光角度，從而控制第二個偏振片后的光強，最終實現(xiàn)光調(diào)制。實現(xiàn)光調(diào)制。VB起偏器起偏器檢偏器檢偏器入射光入射光出射光出射光光電子技術(shù)(聲光調(diào)制和聲光偏轉(zhuǎn))=589.3nm時的時的V值值介質(zhì)介質(zhì)SiOSiO2 2ZnSZnS冕牌冕牌玻璃玻璃火石火石玻璃玻璃NaClNaClV(rad/mT)V(rad/mT) 4.04.082826.46.423239.69.6光電子技術(shù)(聲光調(diào)制和聲光偏轉(zhuǎn)) 旋光性物質(zhì)偏振面的轉(zhuǎn)動角度與光束傳播方向有關旋光性物質(zhì)偏振面的轉(zhuǎn)動角度與光束傳播方向有關 光束返回通過天然旋

34、光介質(zhì)時，旋光角度與正向入射時相反，光束返回通過天然旋光介質(zhì)時，旋光角度與正向入射時相反，因而往返通過介質(zhì)的總效果是偏轉(zhuǎn)角為零；因而往返通過介質(zhì)的總效果是偏轉(zhuǎn)角為零； 磁光材料與傳播方向無關，僅與外磁場的方向有關磁光材料與傳播方向無關，僅與外磁場的方向有關 。 光束返回通過法拉第旋光介質(zhì)時，旋轉(zhuǎn)角度增加一倍。光束返回通過法拉第旋光介質(zhì)時，旋轉(zhuǎn)角度增加一倍。正向通過正向通過光電子技術(shù)(聲光調(diào)制和聲光偏轉(zhuǎn))光電子技術(shù)(聲光調(diào)制和聲光偏轉(zhuǎn))正向通過正向通過 ：反向通過反向通過 ：光電子技術(shù)(聲光調(diào)制和聲光偏轉(zhuǎn))磁光材料與天然旋光效應的區(qū)別磁光材料與天然旋光效應的區(qū)別法拉第效應的這種特性使人們能夠采用

35、將光束多次法拉第效應的這種特性使人們能夠采用將光束多次反射進法拉第器件中，從而得到大的旋角度。反射進法拉第器件中，從而得到大的旋角度。磁光調(diào)制器的優(yōu)點是：工作所需功率低，受溫度影磁光調(diào)制器的優(yōu)點是：工作所需功率低，受溫度影響小，缺點是僅適用于紅外波段。實際上，磁光器響小，缺點是僅適用于紅外波段。實際上，磁光器件更多地用在光隔離器、光存儲器等方面。件更多地用在光隔離器、光存儲器等方面。光電子技術(shù)(聲光調(diào)制和聲光偏轉(zhuǎn))磁光效應的應用磁光效應的應用顯示器件顯示器件 一些大分子或長鏈分一些大分子或長鏈分子的溶液，在局部范圍內(nèi)子的溶液，在局部范圍內(nèi)由于相互作用，會有規(guī)則由于相互作用，會有規(guī)則地排列液晶，

36、從而產(chǎn)生類地排列液晶，從而產(chǎn)生類似于晶體的各向異性。似于晶體的各向異性。4設計薄層的厚度使得，不加設計薄層的厚度使得，不加電壓時，通光電壓時，通光 （透（透 射光由射光由于分子扭曲，自然產(chǎn)生于分子扭曲，自然產(chǎn)生90度度的旋轉(zhuǎn)）。的旋轉(zhuǎn)）。4加電壓時，通光強度隨電壓加電壓時，通光強度隨電壓的變化而變化。的變化而變化。s光電子技術(shù)(聲光調(diào)制和聲光偏轉(zhuǎn))磁光效應的應用磁光效應的應用光盤的讀寫光盤的讀寫LDLD聚焦聚焦透鏡透鏡光盤光盤寫入寫入磁頭磁頭起偏器起偏器準直準直透鏡透鏡聚焦聚焦透鏡透鏡分束器分束器聚焦聚焦透鏡透鏡檢偏器檢偏器光電轉(zhuǎn)換光電轉(zhuǎn)換光電子技術(shù)(聲光調(diào)制和聲光偏轉(zhuǎn))磁光效應的應用磁光效應

37、的應用磁光開關磁光開關 磁光開關原理是利用法拉第旋光效應，通磁光開關原理是利用法拉第旋光效應，通過外加磁場的改變來改變磁光晶體對入射過外加磁場的改變來改變磁光晶體對入射偏振光偏振面的作用，從而達到切換光路偏振光偏振面的作用，從而達到切換光路的效果。的效果。相對于傳統(tǒng)的機械式光開關，它具有開關速度相對于傳統(tǒng)的機械式光開關，它具有開關速度快，穩(wěn)定性高等優(yōu)勢?？欤€(wěn)定性高等優(yōu)勢。相對于其他的非機械式光開關，它又具有驅(qū)動相對于其他的非機械式光開關，它又具有驅(qū)動電壓低、串擾小等優(yōu)勢。電壓低、串擾小等優(yōu)勢。 光電子技術(shù)(聲光調(diào)制和聲光偏轉(zhuǎn)) 磁光開關設計原理磁光開關設計原理 法拉第效應法拉第效應 線偏振光

38、沿外加磁場方向通過介質(zhì)時線偏振光沿外加磁場方向通過介質(zhì)時偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn) 。光電子技術(shù)(聲光調(diào)制和聲光偏轉(zhuǎn))晶體的選擇晶體的選擇 1磁旋光率要盡可能的大。磁旋光率要盡可能的大。 2磁光晶體的外加飽和磁場要盡可能的小。磁光晶體的外加飽和磁場要盡可能的小。 3. 磁光晶體的各項參數(shù)的溫度穩(wěn)定性能，要磁光晶體的各項參數(shù)的溫度穩(wěn)定性能，要求飽和外場強、法拉第旋轉(zhuǎn)角以及插入損耗求飽和外場強、法拉第旋轉(zhuǎn)角以及插入損耗等等在等等在-10100內(nèi)保持穩(wěn)定。內(nèi)保持穩(wěn)定。 光電子技術(shù)(聲光調(diào)制和聲光偏轉(zhuǎn))方案方案利用利用1 1偏振棱鏡、偏振棱鏡、2garnet2garnet以及以及3 3反射光路反射光

39、路 由輸入光纖出射的光經(jīng)過雙折射晶體后分由輸入光纖出射的光經(jīng)過雙折射晶體后分為偏振方向相互垂直的為偏振方向相互垂直的o o、e e光，如果兩塊光，如果兩塊garnetgarnet加正向電壓時，透射光偏振面正向旋轉(zhuǎn)加正向電壓時，透射光偏振面正向旋轉(zhuǎn)4545，再加上正轉(zhuǎn)，再加上正轉(zhuǎn)4545膜的作用，一共正向旋膜的作用，一共正向旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)9090，這時，這時o o、e e光偏振態(tài)互換，結(jié)果這兩束光偏振態(tài)互換，結(jié)果這兩束光經(jīng)過偏振棱鏡的對角線時分別反射一次，透光經(jīng)過偏振棱鏡的對角線時分別反射一次，透射一次射一次 ，IN1OUT2,IN2OUT1IN1OUT2,IN2OUT1；如果兩塊；如果兩塊garnet

40、garnet加負電壓時，透射光偏振面反向旋轉(zhuǎn)加負電壓時，透射光偏振面反向旋轉(zhuǎn)4545，再加上正轉(zhuǎn)，再加上正轉(zhuǎn)4545膜的作用，偏振面沒有膜的作用，偏振面沒有發(fā)生旋轉(zhuǎn)，這時發(fā)生旋轉(zhuǎn)，這時o o、e e偏振態(tài)沒有改變，結(jié)果這偏振態(tài)沒有改變，結(jié)果這兩束光經(jīng)過偏振棱鏡的對角線時透射兩次或是兩束光經(jīng)過偏振棱鏡的對角線時透射兩次或是反射兩次，反射兩次，INT1OUT1,INT2OUT2INT1OUT1,INT2OUT2。 光電子技術(shù)(聲光調(diào)制和聲光偏轉(zhuǎn))法拉第法拉第(1917-1867) (1917-1867) 17911791年年9 9月月2222日生在一個手工工人家庭，家里人日生在一個手工工人家庭，家

41、里人沒有特別的文化，而且頗為貧窮。法拉第的父親沒有特別的文化，而且頗為貧窮。法拉第的父親是一個鐵匠。法拉第小時候受到的學校教育是很是一個鐵匠。法拉第小時候受到的學校教育是很差的。差的。 在大約在大約18301830年以前，法拉第主要是一位化學家。年以前，法拉第主要是一位化學家。 法拉第成就最大的時期是法拉第成就最大的時期是18301830至至18391839年，當時他年，當時他是對現(xiàn)代電學發(fā)現(xiàn)作出貢獻的第一流科學家。是對現(xiàn)代電學發(fā)現(xiàn)作出貢獻的第一流科學家。 法拉第被公認為最偉大的法拉第被公認為最偉大的 自然哲學家自然哲學家 之一。法之一。法拉第的偉大成功也許部分地正是由于他所生活的拉第的偉大成功也許部分地正是由于他所生活的時代。豐富的想象力加上足智多謀的實驗才能，時代。豐富的想象力加上足智多謀的實驗才能，工作熱情和相應的耐性，使他能夠迅速地分辨假工作熱情和相應的耐性，使他能夠迅速地分辨假象，統(tǒng)觀一切。他具有哲學思想，他在幾何學和象，統(tǒng)觀一切。他具有哲學思想，他在幾何學和空間上的洞察力，以及善于持久思考的能力，正空間上的洞察力，以及善于持久思考的能力