光電子技術(shù)(聲光調(diào)制和聲光偏轉(zhuǎn))課件

4.6聲光調(diào)制的物理基礎4.6.1超聲波的概念4.6.2聲光效應4.6.3拉曼——奈斯衍射4.6.4布拉格衍射4.6.5聲光調(diào)制4.6.6聲光偏轉(zhuǎn)4.6聲光調(diào)制的物理基礎4.6.1超聲波的概念14.6.1超聲波的概念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20赫茲至20000赫茲之間，而20000赫茲以上的聲音是超聲，盡管聽不到，卻很有意義。超聲波有兩個特點，一個是能量大，一個是沿直線傳播。它的應用就是按照這兩個特點展開的。

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。4.6.1超聲波的概念世界因為有了聲音而充滿歡樂。我2超聲波的應用1

蝙蝠非常善于使用超聲。它們用喉頭發(fā)出20千赫至120千赫之間的超聲啾鳴，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。

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?？砍曉谒袀鞑r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。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測繪，對數(shù)字地球研究具有重要的意義。超聲波的應用1蝙蝠非常善于使用超聲。它們用喉頭發(fā)出23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，聲波攔截魚雷時的速度可達1.5千米/秒?？蓴r截魚雷的脈沖聲波發(fā)射系統(tǒng)在探測到敵方發(fā)射的4超聲波的應用2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)換。超聲波加濕器就是一個很簡單的例子。它的關鍵部件是壓電陶瓷，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)化為機械能，引發(fā)起強大的機械力，把水“打碎”，并噴射出來，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原理。

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．超聲波的應用2超聲不僅是信息載體，還是一種能量5超聲波的應用3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，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?；蛞旱瓮衅穑诿荛]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。

超聲波的應用3超聲清洗。把表面生銹和沾有臟污的6超聲波的應用4超聲波的應用474.6聲光調(diào)制的物理基礎4.6.1超聲波的概念4.6.2聲光效應4.6.3拉曼——奈斯衍射4.6.4布拉格衍射4.6.5聲光調(diào)制4.6.6聲光偏轉(zhuǎn)4.6聲光調(diào)制的物理基礎4.6.1超聲波的概念84.6.2聲光效應

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改變。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。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)變化的現(xiàn)象，聲光效應是彈光效應的一種。4.6.2聲光效應晶體光學性質(zhì)的變化，不僅可9聲光效應與電光效應相似之處：

晶體在受到外部作用后，才出現(xiàn)光學性質(zhì)的變化，具體表現(xiàn)為折射率的分布發(fā)生改變。區(qū)別：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應力。聲光效應與電光效應相似之處：104.6聲光調(diào)制的物理基礎4.6.1超聲波的概念4.6.2聲光效應4.6.3拉曼——奈斯衍射4.6.4布拉格衍射4.6.5聲光調(diào)制4.6.6聲光偏轉(zhuǎn)4.6聲光調(diào)制的物理基礎4.6.1超聲波的概念114.6.3拉曼——奈斯衍射

1、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。2、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半（λs/2）的距離，當光通過這種分層結(jié)構(gòu)時，就發(fā)生衍射，引起光強度、頻率和方向隨超聲場的變化。4.6.3拉曼——奈斯衍射1、聲光衍射的定性描述：在晶體12聲光衍射根據(jù)光波波長、聲波波長，以及相互作用區(qū)域的長度等因素，將聲光衍射分為：拉曼——奈斯衍射布拉格衍射聲光衍射134.6.3拉曼——奈斯衍射

1、在低聲頻和聲波束的寬度（即聲光相互作用）L不大的情況下且k⊥ks時可以將聲光介質(zhì)看成一塊普通的位相光柵。2、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的波面，而是波浪狀曲面。波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，就稱為拉曼——奈斯衍射。4.6.3拉曼——奈斯衍射1、在低聲頻和聲波束的寬度（即144.6.3拉曼——奈斯衍射對于垂直入射情形，相對于0度方向的衍射極值角度方向由公式λs入射光Lλ聲波陣面式中θm為第m級衍射極值的偏角。4.6.3拉曼——奈斯衍射對于垂直入射情形，相對于0154.6.3拉曼——奈斯衍射拉曼—奈斯衍射時，入射光在相互作用區(qū)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、周期等于聲波周期的相位光柵，因而這種衍射遵循普通相位光柵的衍射定律。4.6.3拉曼——奈斯衍射拉曼—奈斯衍射時，入射光在相互作用164.6聲光調(diào)制的物理基礎4.6.1超聲波的概念4.6.2聲光效應4.6.3拉曼——奈斯衍射4.6.4布拉格衍射1、布拉格條件2、聲光衍射的量子解釋3、聲光相互作用的理論分析4.6.5聲光調(diào)制4.6.6聲光偏轉(zhuǎn)4.6聲光調(diào)制的物理基礎4.6.1超聲波的概念174.6.4布拉格衍射

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)生布拉格衍射。其衍射光譜只出現(xiàn)零級和+1級或零級和-1級。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+1級或-1級上，因為布拉格衍射有著較高的轉(zhuǎn)換效率，所以它比拉曼—奈斯衍射應用更為廣泛。4.6.4布拉格衍射在高聲頻和相互作18結(jié)論4.6.4布拉格衍射

1、布拉格條件①同一鏡面上任意兩點的貢獻應同相(圖4-16)BCDAx入射光束衍射光束結(jié)論4.6.4布拉格衍射

1、布拉格條件①同一鏡面上任意兩194.6.4布拉格衍射

1、布拉格條件②相鄰兩鏡面的反射光的相位應該相同（圖4-17）布拉格衍射公式4.6.4布拉格衍射

1、布拉格條件②相鄰兩鏡面的反射光的20拉曼—奈斯衍射與布拉格衍射的界定拉曼—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L0來表示：拉曼—奈斯衍射布拉格衍射拉曼—奈斯衍射與布拉格衍射的界定拉曼—奈214.6.4布拉格衍射

2、聲光衍射的量子解釋根據(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，具有傳播矢量k、頻率為ω的一道光束可以看成是由動量?k為和能量?ω(?＝h/2π，h為普郎克常數(shù))的粒子束(即光子)組成。同樣，聲波也可視為由動量?k

s和能量?ωs的粒子(聲子)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。4.6.4布拉格衍射

2、聲光衍射的量子解釋224.6.4布拉格衍射

2、聲光衍射的量子解釋能量守恒——決定了衍射光的頻率動量守恒——決定了衍射波的方向4.6.4布拉格衍射

2、聲光衍射的量子解釋能量守恒——決23布拉格衍射波矢圖V入射光衍射光θi入射光衍射光θiVθdθikdkiksθdθikdkiks布拉格衍射波矢圖V入射光衍射光θi入射光衍射光θiVθdθi244.6.4布拉格衍射

3、聲光相互作用的理論分析電場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：上式對入射波和衍射波均成立，故可寫成兩個標量方程：入射光衍射光4.6.4布拉格衍射

3、聲光相互作用的理論分析電場對電極254.6.4布拉格衍射

3、聲光相互作用的理論分析設該波動方程有如下形式的解：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：4.6.4布拉格衍射

3、聲光相互作用的理論分析設該波動方264.6.4布拉格衍射

3、聲光相互作用的理論分析在考慮到只有頻率為ωi光束入射，且Ed(0)=0時，最終結(jié)果為：重要結(jié)論：1）、對任意的ri，

rd，光場的總能量是守恒的.2）、當時，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)點使得布拉格聲光調(diào)制器件得到大量的應用。4.6.4布拉格衍射

3、聲光相互作用的理論分析在考慮到只274.6聲光調(diào)制的物理基礎4.6.1超聲波的概念4.6.2聲光效應4.6.3拉曼——奈斯衍射4.6.4布拉格衍射4.6.5聲光調(diào)制4.6.6聲光偏轉(zhuǎn)4.6聲光調(diào)制的物理基礎4.6.1超聲波的概念284.6.5聲光調(diào)制衍射效率的定義為：衍射光強為：考慮到聲光材料的具體參數(shù)，可表示為：最終決定衍射光強的是聲波的強度Is,通過變化聲強可以達到調(diào)制衍射光強的目的。4.6.5聲光調(diào)制衍射效率的定義為：衍射光強為：考慮到聲294.6.5聲光調(diào)制從原理上講，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)制的意義不大。4.6.5聲光調(diào)制從原理上講，聲光效應即可用于304.6.5聲光調(diào)制

拉曼—奈斯聲光調(diào)制器入射光調(diào)制信號a出射光ηΓtt00.514.6.5聲光調(diào)制

拉曼—奈斯聲光調(diào)制器入射光調(diào)制信號a出314.6.5聲光調(diào)制

布拉格聲光調(diào)制器入射光調(diào)制信號b出射光ηΓtt4.6.5聲光調(diào)制

布拉格聲光調(diào)制器入射光調(diào)制信號b出射光32聲光調(diào)制器的應用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。聲光調(diào)制器的調(diào)制頻率可達30MHz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。

聲光調(diào)制器的工作原理是利用聲光效應所產(chǎn)生的布雷格衍射的特點，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)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)出圖像與聲音信號一樣。聲光調(diào)制器的應用電視機接收到的圖像和聲334.6聲光調(diào)制的物理基礎4.6.1超聲波的概念4.6.2聲光效應4.6.3拉曼——奈斯衍射4.6.4布拉格衍射4.6.5聲光調(diào)制4.6.6聲光偏轉(zhuǎn)4.6聲光調(diào)制的物理基礎4.6.1超聲波的概念344.6.6聲光偏轉(zhuǎn)布拉格衍射的前提是動量守恒θθΔθ4.6.6聲光偏轉(zhuǎn)布拉格衍射的前提是動量守恒θθΔθ354.6.6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〉姆较蚱D(zhuǎn)。偏轉(zhuǎn)角為：通常定義絕對偏轉(zhuǎn)角Δθ同光束發(fā)散角的比值為聲光偏轉(zhuǎn)器的可分辨光斑數(shù)目N。

τ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υ1變?yōu)棣?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υ2，因此只有此處的光波衍射角由θ1變?yōu)棣?。只有經(jīng)過τ后，整個光束截面上的聲波才能都變?yōu)轭l率υ2，衍射光束才能全部偏轉(zhuǎn)到θ2方向，相應的偏轉(zhuǎn)速度是1/τ。4.6.6聲光偏轉(zhuǎn)聲波頻率（波矢）的改變將36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。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37復習聲光效應聲光衍射拉曼——奈斯衍射布拉格衍射布拉格條件聲光衍射的量子解釋聲光調(diào)制拉曼——奈斯聲光調(diào)制器布拉格聲光調(diào)制器聲光偏轉(zhuǎn)復習聲光效應38聲光器件最新動態(tài)美國國家健康研究院(NIH)的一個研究小組使用Brimrose公司的聲光可調(diào)濾波器(AOTF)作為核心部件，成功地研制出用于生物醫(yī)學研究的拉曼成像顯微鏡。聲光器件最新動態(tài)美國國家健康研究院(NIH)的一39聲光偏轉(zhuǎn)器件聲光偏轉(zhuǎn)器件404.7磁光調(diào)制——磁光效應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，具有人為旋光性質(zhì)。1845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。4.7磁光調(diào)制——磁光效應線偏振光沿著光軸方向414.7磁光調(diào)制——磁光效應法拉第效應VBθ起偏器檢偏器入射光出射光

V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,該物質(zhì)的V取為正值，即θ>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。V>0左旋，V

﹤0右旋。4.7磁光調(diào)制——磁光效應法拉第效應VBθ起偏器檢偏器入射424.7磁光調(diào)制——磁光效應控制電壓，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。VBθ起偏器檢偏器入射光出射光4.7磁光調(diào)制——磁光效應控制電壓，即可控制43λ=589.3nm時的V值介質(zhì)SiO2ZnS冕牌玻璃火石玻璃NaClV(rad/m?T)4.0826.4239.6λ=589.3nm時的V值介質(zhì)SiO2ZnS冕牌玻璃火石玻璃44磁光材料與天然旋光效應的區(qū)別旋光性物質(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；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。正向通過磁光材料與天然旋光效應的區(qū)別旋光性物質(zhì)偏振面的轉(zhuǎn)動角度與光束45天然物質(zhì)的旋光性正向通過：反向通過：天然物質(zhì)的旋光性正向通過：反向通過：46法拉第效應中的旋光性正向通過：反向通過：法拉第效應中的旋光性正向通過：反向通過：47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將光束多次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。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48磁光效應的應用——顯示器件一些大分子或長鏈分子的溶液，在局部范圍內(nèi)由于相互作用，會有規(guī)則地排列液晶，從而產(chǎn)生類似于晶體的各向異性。設計薄層的厚度使得，不加電壓時，通光（透射光由于分子扭曲，自然產(chǎn)生90度的旋轉(zhuǎn)）。加電壓時，通光強度隨電壓的變化而變化。磁光效應的應用——顯示器件一些大分子49磁光效應的應用——光盤的讀寫LDLD聚焦透鏡光盤寫入磁頭起偏器準直透鏡聚焦透鏡分束器聚焦透鏡檢偏器光電轉(zhuǎn)換磁光效應的應用——光盤的讀寫LDLD聚焦透鏡光盤寫入磁頭起偏50磁光效應的應用——磁光開關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偏振光偏振面的作用，從而達到切換光路的效果。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。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。

磁光效應的應用——磁光開關磁光開關原理是利用法拉第旋光效應51磁光開關設計原理法拉第效應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)。磁光開關設計原理法拉第效應52晶體的選擇1．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。3.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)角以及插入損耗等等在-10~100℃內(nèi)保持穩(wěn)定。晶體的選擇1．磁旋光率要盡可能的大。53方案

利用1偏振棱鏡、2garnet以及3反射光路

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o、e光，如果兩塊garnet加正向電壓時，透射光偏振面正向旋轉(zhuǎn)45°，再加上正轉(zhuǎn)45°膜的作用，一共正向旋轉(zhuǎn)90°，這時o、e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，透射一次，IN1~OUT2,IN2~OUT1；如果兩塊garnet加負電壓時，透射光偏振面反向旋轉(zhuǎn)45°，再加上正轉(zhuǎn)45°膜的作用，偏振面沒有發(fā)生旋轉(zhuǎn)，這時o、e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反射兩次，INT1~OUT1,INT2~OUT2。

方案

利用1偏振棱鏡、2garnet以及3反射光路54法拉第(1917-1867)1791年9月22日生在一個手工工人家庭，家里人沒有特別的文化，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差的。在大約1830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1830至1839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。

法拉第被公認為最偉大的"自然哲學家"之一。法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，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，他在幾何學和空間上的洞察力，以及善于持久思考的能力，正好補償了他數(shù)學上的不足。法拉第(1917-1867)1791年9月22日生在一個手55法拉第的發(fā)明鐵合金研究（1818－1824）；氯和碳的化合物（1820）；電磁轉(zhuǎn)動（1821）；氣體液化（1823，1845）；光學玻璃（1825－1831）；苯的發(fā)明（1825）；電磁感應現(xiàn)象（1831）；不同來源的電的同一性（1832）；電化學分解（1832年起）；靜電學，電介質(zhì)（1835年起）；氣體放電（1835年）；光、電和磁（1845年起）；抗磁性（1845年起）；“射線振動思想”（1846年起）；重力和電（1849年起）；時間和磁性（1857年起）。法拉第的發(fā)明鐵合金研究（1818－1824）；56大功率薄片激光器出射激光薄片激光器陣列大功率薄片激光器出射激光薄片激光器陣列57天基激光器陣列（美國）天基激光器陣列（美國）58太空帆船之光子帆船既然直接利用太陽輻射驅(qū)動帆船行不通，那么用高亮度、高方向性的激光束推進飛船行嗎？由于激光束的方向性很好，它可以從太陽系中射出，一直推動宇宙飛船到遙遠的太空深處。有人設想，在太陽系中建立強大的激光發(fā)射裝置，配合高強度的大型光帆，使得將飛船加速到光速的1/3左右時，所須加速時間約為一年。此后切斷激光束，飛船轉(zhuǎn)入慣性飛行.當想讓它停下時，則把光帆的外圈逐次斷開，形成同心圓狀的三部分，把其中最外側(cè)的部分移至飛船的前部，同時再次發(fā)射強大的激光束，于是飛船外側(cè)的光帆便被籠罩在強光之中，使它獲得制動力。當然，來自宇宙飛船身后的激光束仍舊照射在光帆上構(gòu)成推進力。但是宇宙飛船外側(cè)的光帆面積是內(nèi)側(cè)兩個光帆面積的9倍，制動力將比推進力起到更大的作用。在返回前，中間的環(huán)狀光帆則將與飛船主體脫離，此時它仍在反射激光束。于是，便使飛船獲得與來路相反的推進力，得以飛返地球。太空帆船之光子帆船既然直接利用太陽輻射驅(qū)動帆船行不通，那么594.6聲光調(diào)制的物理基礎4.6.1超聲波的概念4.6.2聲光效應4.6.3拉曼——奈斯衍射4.6.4布拉格衍射4.6.5聲光調(diào)制4.6.6聲光偏轉(zhuǎn)4.6聲光調(diào)制的物理基礎4.6.1超聲波的概念604.6.1超聲波的概念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20赫茲至20000赫茲之間，而20000赫茲以上的聲音是超聲，盡管聽不到，卻很有意義。超聲波有兩個特點，一個是能量大，一個是沿直線傳播。它的應用就是按照這兩個特點展開的。

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。4.6.1超聲波的概念世界因為有了聲音而充滿歡樂。我61超聲波的應用1

蝙蝠非常善于使用超聲。它們用喉頭發(fā)出20千赫至120千赫之間的超聲啾鳴，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。

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?？砍曉谒袀鞑r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。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測繪，對數(shù)字地球研究具有重要的意義。超聲波的應用1蝙蝠非常善于使用超聲。它們用喉頭發(fā)出262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，聲波攔截魚雷時的速度可達1.5千米/秒?？蓴r截魚雷的脈沖聲波發(fā)射系統(tǒng)在探測到敵方發(fā)射的63超聲波的應用2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)換。超聲波加濕器就是一個很簡單的例子。它的關鍵部件是壓電陶瓷，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)化為機械能，引發(fā)起強大的機械力，把水“打碎”，并噴射出來，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原理。

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．超聲波的應用2超聲不僅是信息載體，還是一種能量64超聲波的應用3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，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。

超聲波的應用3超聲清洗。把表面生銹和沾有臟污的65超聲波的應用4超聲波的應用4664.6聲光調(diào)制的物理基礎4.6.1超聲波的概念4.6.2聲光效應4.6.3拉曼——奈斯衍射4.6.4布拉格衍射4.6.5聲光調(diào)制4.6.6聲光偏轉(zhuǎn)4.6聲光調(diào)制的物理基礎4.6.1超聲波的概念674.6.2聲光效應

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改變。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。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)變化的現(xiàn)象，聲光效應是彈光效應的一種。4.6.2聲光效應晶體光學性質(zhì)的變化，不僅可68聲光效應與電光效應相似之處：

晶體在受到外部作用后，才出現(xiàn)光學性質(zhì)的變化，具體表現(xiàn)為折射率的分布發(fā)生改變。區(qū)別：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應力。聲光效應與電光效應相似之處：694.6聲光調(diào)制的物理基礎4.6.1超聲波的概念4.6.2聲光效應4.6.3拉曼——奈斯衍射4.6.4布拉格衍射4.6.5聲光調(diào)制4.6.6聲光偏轉(zhuǎn)4.6聲光調(diào)制的物理基礎4.6.1超聲波的概念704.6.3拉曼——奈斯衍射

1、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。2、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半（λs/2）的距離，當光通過這種分層結(jié)構(gòu)時，就發(fā)生衍射，引起光強度、頻率和方向隨超聲場的變化。4.6.3拉曼——奈斯衍射1、聲光衍射的定性描述：在晶體71聲光衍射根據(jù)光波波長、聲波波長，以及相互作用區(qū)域的長度等因素，將聲光衍射分為：拉曼——奈斯衍射布拉格衍射聲光衍射724.6.3拉曼——奈斯衍射

1、在低聲頻和聲波束的寬度（即聲光相互作用）L不大的情況下且k⊥ks時可以將聲光介質(zhì)看成一塊普通的位相光柵。2、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的波面，而是波浪狀曲面。波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，就稱為拉曼——奈斯衍射。4.6.3拉曼——奈斯衍射1、在低聲頻和聲波束的寬度（即734.6.3拉曼——奈斯衍射對于垂直入射情形，相對于0度方向的衍射極值角度方向由公式λs入射光Lλ聲波陣面式中θm為第m級衍射極值的偏角。4.6.3拉曼——奈斯衍射對于垂直入射情形，相對于0744.6.3拉曼——奈斯衍射拉曼—奈斯衍射時，入射光在相互作用區(qū)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、周期等于聲波周期的相位光柵，因而這種衍射遵循普通相位光柵的衍射定律。4.6.3拉曼——奈斯衍射拉曼—奈斯衍射時，入射光在相互作用754.6聲光調(diào)制的物理基礎4.6.1超聲波的概念4.6.2聲光效應4.6.3拉曼——奈斯衍射4.6.4布拉格衍射1、布拉格條件2、聲光衍射的量子解釋3、聲光相互作用的理論分析4.6.5聲光調(diào)制4.6.6聲光偏轉(zhuǎn)4.6聲光調(diào)制的物理基礎4.6.1超聲波的概念764.6.4布拉格衍射

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)生布拉格衍射。其衍射光譜只出現(xiàn)零級和+1級或零級和-1級。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+1級或-1級上，因為布拉格衍射有著較高的轉(zhuǎn)換效率，所以它比拉曼—奈斯衍射應用更為廣泛。4.6.4布拉格衍射在高聲頻和相互作77結(jié)論4.6.4布拉格衍射

1、布拉格條件①同一鏡面上任意兩點的貢獻應同相(圖4-16)BCDAx入射光束衍射光束結(jié)論4.6.4布拉格衍射

1、布拉格條件①同一鏡面上任意兩784.6.4布拉格衍射

1、布拉格條件②相鄰兩鏡面的反射光的相位應該相同（圖4-17）布拉格衍射公式4.6.4布拉格衍射

1、布拉格條件②相鄰兩鏡面的反射光的79拉曼—奈斯衍射與布拉格衍射的界定拉曼—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L0來表示：拉曼—奈斯衍射布拉格衍射拉曼—奈斯衍射與布拉格衍射的界定拉曼—奈804.6.4布拉格衍射

2、聲光衍射的量子解釋根據(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，具有傳播矢量k、頻率為ω的一道光束可以看成是由動量?k為和能量?ω(?＝h/2π，h為普郎克常數(shù))的粒子束(即光子)組成。同樣，聲波也可視為由動量?k

s和能量?ωs的粒子(聲子)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。4.6.4布拉格衍射

2、聲光衍射的量子解釋814.6.4布拉格衍射

2、聲光衍射的量子解釋能量守恒——決定了衍射光的頻率動量守恒——決定了衍射波的方向4.6.4布拉格衍射

2、聲光衍射的量子解釋能量守恒——決82布拉格衍射波矢圖V入射光衍射光θi入射光衍射光θiVθdθikdkiksθdθikdkiks布拉格衍射波矢圖V入射光衍射光θi入射光衍射光θiVθdθi834.6.4布拉格衍射

3、聲光相互作用的理論分析電場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：上式對入射波和衍射波均成立，故可寫成兩個標量方程：入射光衍射光4.6.4布拉格衍射

3、聲光相互作用的理論分析電場對電極844.6.4布拉格衍射

3、聲光相互作用的理論分析設該波動方程有如下形式的解：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：4.6.4布拉格衍射

3、聲光相互作用的理論分析設該波動方854.6.4布拉格衍射

3、聲光相互作用的理論分析在考慮到只有頻率為ωi光束入射，且Ed(0)=0時，最終結(jié)果為：重要結(jié)論：1）、對任意的ri，

rd，光場的總能量是守恒的.2）、當時，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)點使得布拉格聲光調(diào)制器件得到大量的應用。4.6.4布拉格衍射

3、聲光相互作用的理論分析在考慮到只864.6聲光調(diào)制的物理基礎4.6.1超聲波的概念4.6.2聲光效應4.6.3拉曼——奈斯衍射4.6.4布拉格衍射4.6.5聲光調(diào)制4.6.6聲光偏轉(zhuǎn)4.6聲光調(diào)制的物理基礎4.6.1超聲波的概念874.6.5聲光調(diào)制衍射效率的定義為：衍射光強為：考慮到聲光材料的具體參數(shù)，可表示為：最終決定衍射光強的是聲波的強度Is,通過變化聲強可以達到調(diào)制衍射光強的目的。4.6.5聲光調(diào)制衍射效率的定義為：衍射光強為：考慮到聲884.6.5聲光調(diào)制從原理上講，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)制的意義不大。4.6.5聲光調(diào)制從原理上講，聲光效應即可用于894.6.5聲光調(diào)制

拉曼—奈斯聲光調(diào)制器入射光調(diào)制信號a出射光ηΓtt00.514.6.5聲光調(diào)制

拉曼—奈斯聲光調(diào)制器入射光調(diào)制信號a出904.6.5聲光調(diào)制

布拉格聲光調(diào)制器入射光調(diào)制信號b出射光ηΓtt4.6.5聲光調(diào)制

布拉格聲光調(diào)制器入射光調(diào)制信號b出射光91聲光調(diào)制器的應用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。聲光調(diào)制器的調(diào)制頻率可達30MHz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。

聲光調(diào)制器的工作原理是利用聲光效應所產(chǎn)生的布雷格衍射的特點，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)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)出圖像與聲音信號一樣。聲光調(diào)制器的應用電視機接收到的圖像和聲924.6聲光調(diào)制的物理基礎4.6.1超聲波的概念4.6.2聲光效應4.6.3拉曼——奈斯衍射4.6.4布拉格衍射4.6.5聲光調(diào)制4.6.6聲光偏轉(zhuǎn)4.6聲光調(diào)制的物理基礎4.6.1超聲波的概念934.6.6聲光偏轉(zhuǎn)布拉格衍射的前提是動量守恒θθΔθ4.6.6聲光偏轉(zhuǎn)布拉格衍射的前提是動量守恒θθΔθ944.6.6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〉姆较蚱D(zhuǎn)。偏轉(zhuǎn)角為：通常定義絕對偏轉(zhuǎn)角Δθ同光束發(fā)散角的比值為聲光偏轉(zhuǎn)器的可分辨光斑數(shù)目N。

τ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υ1變?yōu)棣?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υ2，因此只有此處的光波衍射角由θ1變?yōu)棣?。只有經(jīng)過τ后，整個光束截面上的聲波才能都變?yōu)轭l率υ2，衍射光束才能全部偏轉(zhuǎn)到θ2方向，相應的偏轉(zhuǎn)速度是1/τ。4.6.6聲光偏轉(zhuǎn)聲波頻率（波矢）的改變將95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。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96復習聲光效應聲光衍射拉曼——奈斯衍射布拉格衍射布拉格條件聲光衍射的量子解釋聲光調(diào)制拉曼——奈斯聲光調(diào)制器布拉格聲光調(diào)制器聲光偏轉(zhuǎn)復習聲光效應97聲光器件最新動態(tài)美國國家健康研究院(NIH)的一個研究小組使用Brimrose公司的聲光可調(diào)濾波器(AOTF)作為核心部件，成功地研制出用于生物醫(yī)學研究的拉曼成像顯微鏡。聲光器件最新動態(tài)美國國家健康研究院(NIH)的一98聲光偏轉(zhuǎn)器件聲光偏轉(zhuǎn)器件994.7磁光調(diào)制——磁光效應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，具有人為旋光性質(zhì)。1845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。4.7磁光調(diào)制——磁光效應線偏振光沿著光軸方向1004.7磁光調(diào)制——磁光效應法拉第效應VBθ起偏器檢偏器入射光出射光

V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,該物質(zhì)的V取為正值，即θ>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。V>0左旋，V

﹤0右旋。4.7磁光調(diào)制——磁光效應法拉第效應VBθ起偏器檢偏器入射1014.7磁光調(diào)制——磁光效應控制電壓，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。VBθ起偏器檢偏器入射光出射光4.7磁光調(diào)制——磁光效應控制電壓，即可控制102λ=589.3nm時的V值介質(zhì)SiO2ZnS冕牌玻璃火石玻璃NaClV(rad/m?T)4.0826.4239.6λ=589.3nm時的V值介質(zhì)SiO2ZnS冕牌玻璃火石玻璃103磁光材料與天然旋光效應的區(qū)別旋光性物質(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；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。正向通過磁光材料與天然旋光效應的區(qū)別旋光性物質(zhì)偏振面的轉(zhuǎn)動角度與光束104天然物質(zhì)的旋光性正向通過：反向通過：天然物質(zhì)的旋光性正向通過：反向通過：105法拉第效應中的旋光性正向通過：反向通過：法拉第效應中的旋光性正向通過：反向通過：106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將光束多次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。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107磁光效應的應用——顯示器件一些大分子或長鏈分子的溶液，在局部范圍內(nèi)由于相互作用，會有規(guī)則地排列液晶，從而產(chǎn)生類似于晶體的各向異性。設計薄層的厚度使得，不加電壓時，通光（透射光由于分子扭曲，自然產(chǎn)生90度的旋轉(zhuǎn)）。加電壓時，通光強度隨電壓的變化而變化。磁光效應的應用——顯示器件