《光电子技术》课件：§2.3光波在声光晶体中的传播.ppt

1、2.3光波在声光晶体中的传播光波在声光晶体中的传播 超声波超声波(fs20kHz)是是弹性纵波弹性纵波，在介质中传播时，在介质中传播时，使介质产生弹性形变，引起介质的密度以至折射率呈使介质产生弹性形变，引起介质的密度以至折射率呈疏密相间的交替变化疏密相间的交替变化. 这种现象称为这种现象称为声光效应声光效应(弹光效弹光效应应)。声光介质如同一个光栅声光介质如同一个光栅,光栅常数等于声波长光栅常数等于声波长 s。当光波通过此介质时，会产生当光波通过此介质时，会产生声光衍射声光衍射。一一 超声光栅类型超声光栅类型超声行波、超声驻波超声行波、超声驻波 行波型行波型驻波型驻波型吸声器吸声器声反射器声反

2、射器换能器换能器声光介质声光介质VsVsVs为超声频率的为超声频率的电脉冲，驱动换电脉冲，驱动换能器振动，产生能器振动，产生超声波超声波.2.3光波在声光晶体中的传播光波在声光晶体中的传播超声行波超声行波:声速为光速的数十万分之一，声速为光速的数十万分之一，对光波来说，运动的对光波来说，运动的“声光栅声光栅”可以看作是静止的。可以看作是静止的。 nvsxn0 s超声驻波超声驻波： sxa这时介质相当于一个这时介质相当于一个位置固定位置固定的的时隐时现时隐时现的光栅，光栅常数的光栅，光栅常数为为 s /2，若超声频率为，若超声频率为fs，则，则光光栅出现的频率栅出现的频率2fs。2.3光波在声光

3、晶体中的传播光波在声光晶体中的传播0级级-10+1 布拉格衍射布拉格衍射(高声频高声频,厚光栅）厚光栅） （光斜入射（光斜入射)0级级+1级级+2级级-1-2拉曼拉曼-纳斯衍射纳斯衍射(低声频低声频,薄光栅），薄光栅），（光垂直入射（光垂直入射 )二二. 声光衍射声光衍射布喇格衍射布喇格衍射拉曼拉曼-纳斯衍射纳斯衍射2.3光波在声光晶体中的传播光波在声光晶体中的传播0级级+1级级+2级级-1-2 s L入射光入射光xy声波阵面声波阵面声波声波光波阵面光波阵面图图2-12 拉曼拉曼-纳斯衍射图纳斯衍射图衍射光衍射光多级衍射光，同级次衍射多级衍射光，同级次衍射光的对称分布于零级衍射光的对称分布于零

4、级衍射光两侧，强度相等。但各光两侧，强度相等。但各级的衍射效率都较低级的衍射效率都较低.1 拉曼拉曼-纳斯衍射纳斯衍射(低声频低声频,薄光栅薄光栅,光垂直入射光垂直入射 )定性解释：定性解释：通过光密部分通过光密部分的光将延迟，而通过光疏的光将延迟，而通过光疏部分的光将超前，则平面部分的光将超前，则平面光波波面变成一个折皱曲光波波面变成一个折皱曲面。面。各子波源发出的次波各子波源发出的次波将发生相干作用，便形成将发生相干作用，便形成了多级衍射光了多级衍射光。 2.3光波在声光晶体中的传播光波在声光晶体中的传播2, 1,0,sin mmsm 可证：可证：各级衍射角为各级衍射角为 注注: 声束宽度

5、声束宽度L满足如下条件才能发生拉满足如下条件才能发生拉曼曼-纳斯多级衍射。纳斯多级衍射。（教材有误）（教材有误） 22120snLL )(20 snL 0级级+1级级+2级级-1-2(2-55)2.3光波在声光晶体中的传播光波在声光晶体中的传播)592(2sin sBn 2、布拉格衍射、布拉格衍射(高声频高声频,厚光栅厚光栅,光斜入射光斜入射) 只出现只出现0级和级和+1级（或级（或 1级）衍射光，级）衍射光，类似于反射类似于反射,是由是由于各层高级次衍射光将互相抵消于各层高级次衍射光将互相抵消的结果。衍射效率较高。的结果。衍射效率较高。布拉格条件布拉格条件:0级级-10+1布拉格衍射布拉格衍

6、射 B B Bs s 2.3光波在声光晶体中的传播光波在声光晶体中的传播推导推导: 布拉格条件布拉格条件衍射光衍射光入射光入射光 vs 1 21 2 s i dB Cx(a)同一声波面上的衍射同一声波面上的衍射AD 入射光入射光 2 vs 3 sCE i d2 3 衍射光衍射光GF(b)不同声波面上的衍射不同声波面上的衍射nmxBDACdi )cos(cosidm 0nmEGFEdis )sin(sin1 和和 2 之间的光程差之间的光程差:2 和和 3 之间的光程差之间的光程差:)592(2sin1 sBmnBid )592(2sin sBn 2.3光波在声光晶体中的传播光波在声光晶体中的传

7、播0级级-10+1布拉格衍射布拉格衍射 B B Bs s 布喇格衍射光强度布喇格衍射光强度与声光材料与声光材料特性和声场强度的有关。特性和声场强度的有关。 当入射光强为当入射光强为Ii时，布喇格声时，布喇格声光衍射的光衍射的0级和级和1级衍射光强为级衍射光强为)602(2sin2cos2120 vIIvIIii 为光通过超声场所产生的附加相位差。为光通过超声场所产生的附加相位差。注意注意光为斜入射光为斜入射，且，且 n与超声功率与超声功率Ps（或超声强度（或超声强度IS）有关（见）有关（见2-63式）。式）。 BLnv cos2 2.3光波在声光晶体中的传播光波在声光晶体中的传播0级级-10+

8、1布拉格衍射布拉格衍射 B B Bs s 1级级衍射效率：衍射效率：M2是声光介质品质因数，反映是声光介质品质因数，反映声光衍声光衍射效率的大小射效率的大小；Ps为为超声功率；超声功率；H为为换能器的宽度，换能器的宽度，L为换能器的长度。为换能器的长度。（注：教材没有考虑布喇格角的影响）（注：教材没有考虑布喇格角的影响） )652(cos2sin)cos2(21sin)2(sin22221 sBBisPMHLLnvII )602(2sin21 vIIi2.3光波在声光晶体中的传播光波在声光晶体中的传播1级衍射效率：级衍射效率：结论：结论： 超声功率超声功率Ps一一定，要使衍射光强尽量大，则要定，要使衍射光强尽量大，则要求选择求选择M2大的材料，并把换能器做得长而窄大的材料，并把换能器做得长而窄（L大大H小小, 即厚光栅）即厚光栅） 当改变超声功率当改变超声功率Ps时，时，I1/Ii也随之改变，甚至有也随之改变，甚至有I1/Ii100%，通过控制超声功率通过控制超声功率Ps就可以达到控就可以达到控制衍射光强的目的，实现制衍射光强的目的，实现声光强度调制声光强度调制。212sin(265)2 cosssiBILM PIH