23+光波在聲光晶體中的傳播課件

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當(dāng)光波和聲波同時(shí)射到晶體上時(shí)，聲波和光波之間將會(huì)產(chǎn)生相互作用，從而可用于控制光束，如使光束發(fā)生偏轉(zhuǎn)、使光強(qiáng)和頻率發(fā)生變化等，這種晶體稱為聲光晶體。常見的聲光晶體有鉬酸鉛(PbMoO4)、二氧化碲(TeO2)、硫代砷酸砣(Tl3AsS4)等。由于彈光效應(yīng)，當(dāng)超聲縱波以行波形式在介質(zhì)中傳播時(shí)會(huì)使介質(zhì)折射率產(chǎn)生正弦或余弦規(guī)律變化，并隨超聲波一起傳播。當(dāng)激光通過此介質(zhì)的時(shí)候，就會(huì)發(fā)生光的衍射，即聲光衍射。二氧化碲晶體２.3光波在聲光晶體中傳播2023/11/27共33頁2聲光效應(yīng)的應(yīng)用：（1）測(cè)量最早的聲光效應(yīng)僅用于物理性質(zhì)的測(cè)量，如聲場(chǎng)的能量分布、聲衰減系數(shù)、聲速的彈性系數(shù)以及彈性系數(shù)的測(cè)量（2）光電子激光和超聲波技術(shù)的發(fā)展，使聲光效應(yīng)子在光電子上有廣泛的應(yīng)用。如聲光調(diào)制器、聲光調(diào)Q、聲光鎖模器和聲光偏轉(zhuǎn)器。（3）其他方面利用聲光效應(yīng)產(chǎn)生的衍射可以改變光束的強(qiáng)度、方向和頻率，因而可以設(shè)計(jì)制造光強(qiáng)度調(diào)制器、光束偏轉(zhuǎn)器和激光Q開關(guān)等器件。２.3光波在聲光晶體中傳播2023/11/27共33頁3彈光效應(yīng)：當(dāng)物質(zhì)受到彈性應(yīng)力或應(yīng)變作用時(shí)，介質(zhì)的折射率發(fā)生變化，這種由于應(yīng)力使折射率發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為彈光效應(yīng)。聲光衍射：由于彈光效應(yīng)，當(dāng)超聲縱波以行波形式在介質(zhì)中傳播時(shí)會(huì)使介質(zhì)折射率產(chǎn)生正弦或余弦規(guī)律變化，并隨超聲波一起傳播。當(dāng)激光通過此介質(zhì)的時(shí)候，就會(huì)發(fā)生光的衍射。２.3光波在聲光晶體中傳播光波與聲波是如何相互作用的？開篇問題2023/11/27共33頁4

聲波是一種彈性波(縱向應(yīng)力波)，使介質(zhì)產(chǎn)生相應(yīng)的彈性形變，激起各質(zhì)點(diǎn)沿聲波的傳播方向振動(dòng)，引起介質(zhì)的密度呈疏密相間的交替變化。

介質(zhì)的折射率也隨著發(fā)生相應(yīng)的周期性變化。超聲場(chǎng)作用的這部分如同一個(gè)光學(xué)的“相位光柵”，該光柵間距(光柵常數(shù))等于聲波波長(zhǎng)

s。當(dāng)光波通過此介質(zhì)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生光的衍射。其衍射光的強(qiáng)度、頻率、方向等都隨著超聲場(chǎng)的變化而變化。一、聲光柵2023/11/27共33頁5

聲波在介質(zhì)中傳播分為行波和駐波兩種形式。圖1.3-1所示為某一瞬間超聲行波的情況，其中深色部分表示介質(zhì)受到壓縮，密度增大，相應(yīng)的折射率也增大，而白色部分表示介質(zhì)密度減小，對(duì)應(yīng)的折射率也減小。在行波聲場(chǎng)作用下，介質(zhì)折射率的增大或減小交替變化，并以聲速

s(一般為n大n小103m/s量級(jí))向前推進(jìn)。由于聲速僅為光速(108m)的數(shù)十萬分之一，所以對(duì)光波來說，運(yùn)動(dòng)的“聲光柵”可以看作是靜止的。設(shè)聲波的角頻率為

s，波矢為ks(＝2/s)，2023/11/27共33頁6或者寫成：這里n=-ksA，則行波時(shí)的折射率：此處

n=-(1/2)no3

PS，（1.3-3’)式中，S為超聲波引起介質(zhì)產(chǎn)生的應(yīng)變，P為材料的彈光系數(shù)。式中a為介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的瞬時(shí)位移，A為質(zhì)點(diǎn)位移的幅度?？山频卣J(rèn)為，介質(zhì)折射率的變化正比于介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)沿x方向位移的變化率，即(1.3-1)聲波的方程為2023/11/27共33頁7

聲駐波是由波長(zhǎng)、振幅和相位相同，傳播方向相反的兩束聲波疊加而成的，如圖1.3-2所示。其聲駐波方程為

聲駐波的振幅為2Acos(2πx/λs)，它在x方向上各點(diǎn)不同，但相位2πt/Ts在各點(diǎn)均相同。在x＝nλs/2或2nλs/4(n=0,1,2,…)各點(diǎn)上，駐波的振幅為極大(等于2A)，這些點(diǎn)稱為波腹，波腹間的距離為λs/2。在x＝(2n+1)λs/4的各點(diǎn)上，駐波的振幅為零，這些點(diǎn)稱為波節(jié)，波節(jié)之間的距離也是λs/2。(1.3-4)圖1.3-2超聲駐波x＝nλs/2x＝(2n+1)λs／42023/11/27共33頁8由于波腹和波節(jié)在介質(zhì)中的位置是固定的，形成的光柵在空間也是固定的。形成的折射率變化(正比于介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)沿x方向位移的變化率,對(duì)上式求導(dǎo)并令△n=-4Aπ/λs)(1.3-5)

在一周期內(nèi)，介質(zhì)兩次出現(xiàn)疏密層，波節(jié)處密度保持不變，折射率每隔半個(gè)周期(Ts/2)就在波腹處變化一次，由極大(或極小)變?yōu)闃O小(或極大)。在兩次變化的某一瞬間，介質(zhì)各部分的折射率相同，相當(dāng)于一個(gè)沒有聲場(chǎng)作用的均勻介質(zhì)。

若超聲頻率為fs，那么光柵出現(xiàn)和消失的次數(shù)則為2fs

，因而光波通過該介質(zhì)后所得到的調(diào)制光的調(diào)制頻率將為聲頻率的兩倍。2023/11/27共33頁9

按照聲波頻率的高低以及聲波和光波作用長(zhǎng)度的不同，聲光互作用可以分為拉曼—納斯(Raman—Nath)衍射和布拉格(Bragg)衍射兩種類型。二、聲光相互作用的兩種類型

當(dāng)超聲波頻率較低，光波平行于聲波面入射(即垂直于聲場(chǎng)傳播方向)，聲光互作用長(zhǎng)度L較短時(shí)，產(chǎn)生拉曼—納斯衍射。相反情況為布拉格衍射。2023/11/27共33頁10

由于聲速比光速小很多，故聲光介質(zhì)可視為一個(gè)靜止的平面相位光柵。而且聲波長(zhǎng)λs比光波長(zhǎng)λ大得多，當(dāng)光波平行通過介質(zhì)時(shí)，幾乎不通過聲波面，因此只受到相位調(diào)制，即通過光學(xué)稠密(折射率大)部分的光波波陣面將推遲，而通過光學(xué)疏松(折射率小)部分的光波波陣面將超前，于是通過聲光介質(zhì)的平面波波陣面出現(xiàn)凸凹現(xiàn)象，變成一個(gè)折皺曲面。？1拉曼-納斯衍射2023/11/27共33頁11

設(shè)聲光介質(zhì)中的聲波是一個(gè)寬度為L(zhǎng)沿著x方向傳播的平面縱波(聲柱)，波長(zhǎng)為λs(角頻率ωs)，波矢量ks

指向x軸，入射光波矢量ki指向y軸方向，如圖1.3-4所示。當(dāng)把聲行波近似視為不隨時(shí)間變化的超聲場(chǎng)時(shí)，可略去對(duì)時(shí)間的依賴關(guān)系，這樣沿z方向的折射率分布可簡(jiǎn)化為n(x,t)=no+nsin(ωst-ksx)

(1.3-7)

n(x,t)=no+nsin(ksx)

(1.3-8)no為平均折射率；

n為聲致折射率變化。2023/11/27共33頁12

Ein=Aexp(iωct)(1.3-9)則在y＝L／2處出射的光波不再是單色平面波，而是一個(gè)被調(diào)制了的光波，其等相面是由函數(shù)n(x)決定的折皺曲面，其光場(chǎng)可寫成(1.3-10)由介質(zhì)折射率發(fā)生周期性變化，會(huì)對(duì)入射光波的相位進(jìn)行調(diào)制。如考察一平面光波垂直入射的情況，在介質(zhì)的前表面y＝-L／2處入射，入射光波為該出射波陣面可分成若干個(gè)子波源，則在很遠(yuǎn)的P點(diǎn)處總的衍射2023/11/27共33頁13(1.3-12)式中，l＝sinθ(因觀察角度不同引起的附加相位延遲)表示衍射方向的正弦;q為入射光束寬度。將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遲)，并利用歐拉公式展開成下面形式：(1.3-11)光場(chǎng)強(qiáng)是所有子波源貢獻(xiàn)的求和，即由下列積分決定：利用關(guān)系式：2023/11/27共33頁14式中，Jr(υ)是r階貝塞爾函數(shù)。將此式代入(1.3-12)式，經(jīng)積分得到實(shí)部的表示式為(因?yàn)閗=2π/λ)(1.3-15)（1.3-13)而（1.3-12)式的虛部的積分為零。由上式可以看出，衍射光場(chǎng)強(qiáng)各項(xiàng)取極大值的條件為

sinθki土mks＝0(m＝整數(shù)≥0)(1.3-14)當(dāng)θ角和聲波波矢ks

確定后，其中某一項(xiàng)為極大時(shí)，其他項(xiàng)的貢獻(xiàn)幾乎等于零，因而當(dāng)m取不同值時(shí)，不同θ角方向的衍射光取極大值。(1.3-14)式則確定了各級(jí)衍射的方位角2023/11/27共33頁15綜述以上分析，拉曼—納斯聲光衍射的結(jié)果，使光波在遠(yuǎn)場(chǎng)分成一組衍射光，它們分別對(duì)應(yīng)于確定的衍射角θm(即傳播方向)和衍射強(qiáng)度，其中衍射角由(1.3—15)式?jīng)Q定；而衍射光強(qiáng)由(1.3—16)式?jīng)Q定，因此這一組衍射光是離散型的。由于，故各級(jí)衍射光對(duì)稱地分布在零級(jí)衍射光兩側(cè)，且同級(jí)次衍射光的強(qiáng)度相等。這是拉曼—納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表示衍射光的級(jí)次。各級(jí)衍射光的強(qiáng)度為表明無吸收時(shí)衍射光各級(jí)極值光強(qiáng)之和應(yīng)等于入射光強(qiáng)，即光功率是守恒的。2023/11/27共33頁16由于光波與聲波場(chǎng)的相互作用，各級(jí)衍射光波將產(chǎn)生多普勒頻移，根據(jù)能量守恒原理，應(yīng)有

ω＝ωi土mωs

(1.3-17)而且各級(jí)衍射光強(qiáng)將受到角頻率為2ωs的調(diào)制。但由于超聲波頻率為109Hz，而光波頻率高達(dá)1014Hz量級(jí)，故頻移的影響可忽略不計(jì)。2023/11/27共33頁17當(dāng)入射光與聲波面間夾角滿足一定條件時(shí)，介質(zhì)內(nèi)各級(jí)衍射光會(huì)相互干涉，各高級(jí)次衍射光將互相抵消，只出現(xiàn)0級(jí)和+l級(jí)(或-1級(jí))(視入射光的方向而定)衍射光，即產(chǎn)生布拉格衍射(類似于閃耀光柵）。因此，若能合理選擇參數(shù)，超聲場(chǎng)足夠強(qiáng)，可使入射光能量幾乎全部轉(zhuǎn)移到+1級(jí)(或-1級(jí))衍射極值上。因而光束能量可以得到充分利用。利用布拉格衍射效應(yīng)制成的聲光器件可以獲得較高的效率。2布拉格衍射各向同性介質(zhì)中的正常布拉格衍射。2023/11/27共33頁18閃耀光柵（blazedgrating）當(dāng)光柵刻劃成鋸齒形的線槽斷面時(shí)，光柵的光能量便集中在預(yù)定的方向上，即

閃耀光柵。某一光譜級(jí)上。從這個(gè)方向探測(cè)時(shí)，光譜的強(qiáng)度最大，這種現(xiàn)象稱為閃耀（blaze），這種光柵稱為閃耀光柵。在這樣刻成的閃耀光柵中，起衍射作用的槽面是個(gè)光滑的平面，它與光柵的表面一夾角，稱為閃耀角（blazeangle）。最大光強(qiáng)度所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)，稱為閃耀波長(zhǎng)（blazewavelength）。通過閃耀角的設(shè)計(jì)，可以使光柵適用于某一特定波段的某一級(jí)光譜。2023/11/27共33頁19可把聲波通過的介質(zhì)近似看作許多相距為λs的部分反射、部分透射的鏡面。對(duì)行波超聲場(chǎng)，這些鏡面將以速度vs

沿x方向移動(dòng)(因?yàn)?/p>

s<<c

，所以在某一瞬間，超聲場(chǎng)可近似看成是靜止的，因而對(duì)衍射光的強(qiáng)度分布沒有影響)。對(duì)駐波超聲場(chǎng)則完全是不動(dòng)的，2023/11/27共33頁20當(dāng)平面波l和2以角度

i入射至聲波場(chǎng)，在B、C、E各點(diǎn)處部分反射，產(chǎn)生衍射光1’，2’，3’。各衍射光相干增強(qiáng)的條件是它們之間的光程差應(yīng)為其波長(zhǎng)的整倍數(shù)，或者說它們必須同相位。圖a表示在同一鏡面上的衍射情況．入射光l和2在B，C點(diǎn)反射的1’和2’同相位的條件，必須使光程差A(yù)C-BD等于光波波長(zhǎng)的整倍數(shù)，即xc(cos

i-cos

d

)＝m/n

(1.3-18)

i

dxc2023/11/27共33頁21要使聲波面上所有點(diǎn)同時(shí)滿足這一條件，只有使

i=d

(1.3-19)即入射角等于衍射角時(shí)才能實(shí)現(xiàn)。

對(duì)于相距λs的兩個(gè)不同鏡面上的衍射情況，如圖b所示，由C，E點(diǎn)反射的2’