第三章光电子技术-2(声光调制和声光偏转).课件.ppt
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- 第三 光电子 技术 声光 调制 和声 偏转 课件
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1、 3.6.1超声波的概念超声波的概念 3.6.2声光效应声光效应 3.6.3拉曼拉曼奈斯衍射奈斯衍射 3.6.4布拉格衍射布拉格衍射 3.6.5声光调制声光调制 3.6.6声光偏转声光偏转v 世界因为有了声音而充满欢乐。我们平常听到的各种世界因为有了声音而充满欢乐。我们平常听到的各种声音只是声音世界中的一部分,范围在声音只是声音世界中的一部分,范围在2020赫兹至赫兹至2000020000赫赫兹之间,而兹之间,而2000020000赫兹以上的声音是超声,尽管听不到,赫兹以上的声音是超声,尽管听不到,却很有意义。却很有意义。 v 超声波有两个特点,一个是超声波有两个特点,一个是能量大能量大,一个
2、是,一个是沿直线传沿直线传播播。它的应用就是按照这两个特点展开的。它的应用就是按照这两个特点展开的。v 理论研究表明,在振幅相同的情况下,一个物体振动理论研究表明,在振幅相同的情况下,一个物体振动的能量跟振动频率的二次方成正比超声波在介质中传播的能量跟振动频率的二次方成正比超声波在介质中传播时,介质质点振动的频率很高,因而能量很大。时,介质质点振动的频率很高,因而能量很大。v 蝙蝠非常善于使用超声。它们用喉头发出蝙蝠非常善于使用超声。它们用喉头发出2020千赫至千赫至120120千赫之间的超声千赫之间的超声啾鸣,用耳朵接收障碍物的反射回波,以这个回波来判断猎物的距离、方位、啾鸣,用耳朵接收障碍
3、物的反射回波,以这个回波来判断猎物的距离、方位、形状和速度。那份灵巧和精确让人瞠目。形状和速度。那份灵巧和精确让人瞠目。v 模仿蝙蝠使用超声的道理,人类发明了声纳这种装在船只及潜艇上的装模仿蝙蝠使用超声的道理,人类发明了声纳这种装在船只及潜艇上的装置。置。 靠超声在水中传播时碰到物体产生回波,来测定距离,确定位置。能靠超声在水中传播时碰到物体产生回波,来测定距离,确定位置。能发现对手,或保证航行安全。发现对手,或保证航行安全。 合成孔径声纳可以用于海底测量,水下考古和搜寻水下失落物体等,尤其可以进行高分辨海底测绘,对数字地球研究具有重要的意义。 可拦截鱼雷的脉冲声波发射系统 在探测到敌方发射的
4、鱼雷后,这些声波转换器可在瞬在探测到敌方发射的鱼雷后,这些声波转换器可在瞬间发射出高能脉冲声波,其强度足以摧毁或者提前引爆间发射出高能脉冲声波,其强度足以摧毁或者提前引爆被锁定的鱼雷。由于是在水下,声波拦截鱼雷时的速度被锁定的鱼雷。由于是在水下,声波拦截鱼雷时的速度可达可达1.51.5千米千米/ /秒。秒。 超声不仅是信息载体,还是一种能量形式,在传播时可以进行超声不仅是信息载体,还是一种能量形式,在传播时可以进行能量的转换。超声波加湿器就是一个很简单的例子。它的关键部件能量的转换。超声波加湿器就是一个很简单的例子。它的关键部件是是压电陶瓷压电陶瓷,通电之后,把高频电转化为超声,使很强的超声波
5、从,通电之后,把高频电转化为超声,使很强的超声波从下方发出。在水面的局部小区域内,声能转化为机械能,引发起强下方发出。在水面的局部小区域内,声能转化为机械能,引发起强大的机械力,把水大的机械力,把水“打碎打碎”,并喷射出来,形成水雾,加湿空气。,并喷射出来,形成水雾,加湿空气。 在我国北方干燥的冬季,如果把超声波通入水罐中,剧烈的振动在我国北方干燥的冬季,如果把超声波通入水罐中,剧烈的振动会使罐中的水破碎成许多小雾滴,再用小风扇把雾滴吹入室内,就会使罐中的水破碎成许多小雾滴,再用小风扇把雾滴吹入室内,就可以增加室内空气的湿度这就是超声波加湿器的原理。可以增加室内空气的湿度这就是超声波加湿器的原
6、理。 对于咽喉炎、气管炎等疾病,药力很难达到患病的部位利用对于咽喉炎、气管炎等疾病,药力很难达到患病的部位利用加湿器的原理,把药液雾化,让病人吸入,能够增进疗效利用超加湿器的原理,把药液雾化,让病人吸入,能够增进疗效利用超声波的巨大能量还可以把人体内的结石击碎声波的巨大能量还可以把人体内的结石击碎 超声清洗。把表面生锈和沾有脏污的物体浸泡在水一类的清洗液中,超声清洗。把表面生锈和沾有脏污的物体浸泡在水一类的清洗液中,送入一定量的超声,使污物从工件表面脱落下来。金银珠宝配带久了,失送入一定量的超声,使污物从工件表面脱落下来。金银珠宝配带久了,失去光泽,变得难以入目,化学清洗会损伤饰物表面,而超声
7、清洗可以整旧去光泽,变得难以入目,化学清洗会损伤饰物表面,而超声清洗可以整旧如新取得理想的效果。如新取得理想的效果。 超声悬浮是借助超声产生的强大声场将颗粒或液滴托起,在密闭装置超声悬浮是借助超声产生的强大声场将颗粒或液滴托起,在密闭装置内进行实验,保持超纯度,超精度。超声马达是利用压电陶瓷把电信号转内进行实验,保持超纯度,超精度。超声马达是利用压电陶瓷把电信号转化成超声振动,产生一定的力,带动马达工作,平稳、速度可调、不怕磁化成超声振动,产生一定的力,带动马达工作,平稳、速度可调、不怕磁干扰,小的可用于相机的变焦镜头,大的甚至可以代替现有的汽车马达。干扰,小的可用于相机的变焦镜头,大的甚至可
8、以代替现有的汽车马达。超声焊接是利用超声的高频振动,把两个不同的物件连接在一起,因为它超声焊接是利用超声的高频振动,把两个不同的物件连接在一起,因为它基本不发热、不变形,在微电子工业中用来焊接集成电路芯片,尤其是它基本不发热、不变形,在微电子工业中用来焊接集成电路芯片,尤其是它能焊接某些特殊的稀有金属,在核工业、空间技术等领域可以开发更多的能焊接某些特殊的稀有金属,在核工业、空间技术等领域可以开发更多的用途。用途。 晶体光学性质的变化,不仅可以通过外加电场的作用晶体光学性质的变化,不仅可以通过外加电场的作用实现,外力的作用也能够造成折射率的改变。实现,外力的作用也能够造成折射率的改变。 弹光效
9、应:由于外力作用而引起介质光学性质变化的弹光效应:由于外力作用而引起介质光学性质变化的现象。现象。 声波作为一种弹性波,在晶体中传播时,会造成介质声波作为一种弹性波,在晶体中传播时,会造成介质密度的疏密变化,使得介质的折射率分布也随之改变。密度的疏密变化,使得介质的折射率分布也随之改变。 声光效应:由于声波作用而引起光学性质变化的现象,声光效应:由于声波作用而引起光学性质变化的现象,声光效应是弹光效应的一种。声光效应是弹光效应的一种。声光效应与电光效应相似之处:相似之处: 晶体在受到外部作用后,才出现光学性质的变化,晶体在受到外部作用后,才出现光学性质的变化,具体表现为折射率的分布发生改变。具
10、体表现为折射率的分布发生改变。区别:区别:电光效应中,外加电场的加入是起因。电光效应中,外加电场的加入是起因。声光效应中,造成折射率变化的因素是应变或应力。声光效应中,造成折射率变化的因素是应变或应力。 1 1、声光衍射的定性描述:在晶体中传播的超声波,会造、声光衍射的定性描述:在晶体中传播的超声波,会造成晶体的局部压缩或伸长,这种由于机械应力引起的弹成晶体的局部压缩或伸长,这种由于机械应力引起的弹光效应使晶体的介电常量发生变化,因而折射率也发生光效应使晶体的介电常量发生变化,因而折射率也发生变化。变化。 2 2、在介质中形成了周期性的有不同折射率的间隔层,这、在介质中形成了周期性的有不同折射
11、率的间隔层,这些层以声速运动,层间保持声波波长一半(些层以声速运动,层间保持声波波长一半(s s/2/2)的距)的距离,当光通过这种分层结构时,就发生衍射,引起离,当光通过这种分层结构时,就发生衍射,引起光强光强度、频率和方向度、频率和方向随超声场的变化随超声场的变化。声光衍射根据光波波长、声波波长,以及相互作用区域的根据光波波长、声波波长,以及相互作用区域的长度等因素,将声光衍射分为:长度等因素,将声光衍射分为: 拉曼拉曼奈斯衍射奈斯衍射 布拉格衍射布拉格衍射 1 1、在低声频和声波束的宽度(即声光相互作用)、在低声频和声波束的宽度(即声光相互作用)L L不大的不大的情况下且情况下且k kk
12、 ks s时可以将声光介质看成一块普通的位相光时可以将声光介质看成一块普通的位相光栅。栅。 2 2、光束在介质中传播时,由于折射率随介质密度的变化,、光束在介质中传播时,由于折射率随介质密度的变化,使得出射光波的波前已不再是平面波的波面,而是波浪使得出射光波的波前已不再是平面波的波面,而是波浪状曲面。波面上的各点作为次波源,发出子波在空间相状曲面。波面上的各点作为次波源,发出子波在空间相互干涉而形成多级衍射条纹。这种类似于普通面光栅的互干涉而形成多级衍射条纹。这种类似于普通面光栅的作用而产生的声光衍射,就称为作用而产生的声光衍射,就称为拉曼拉曼奈斯衍射奈斯衍射。 对于垂直入射情形,相对于对于垂
13、直入射情形,相对于0 0度度方向的衍射极值角度方向由公式方向的衍射极值角度方向由公式s入射光入射光L声波阵面声波阵面, 2, 1, 0sinmmsm式中式中m m为第为第m m级衍射极值的偏角。级衍射极值的偏角。v拉曼拉曼奈斯衍射时,入射光在相互作用区内部的奈斯衍射时,入射光在相互作用区内部的传播方向仍保持直线方向,而与折射率变化有关传播方向仍保持直线方向,而与折射率变化有关的介质的光学不均匀性只对通过声柱的光的相位的介质的光学不均匀性只对通过声柱的光的相位发生影响。发生影响。v声波的作用可归结为形成以声速运动的、周期等声波的作用可归结为形成以声速运动的、周期等于声波周期的相位光栅于声波周期的
14、相位光栅,因而这种衍射遵循普通,因而这种衍射遵循普通相位光栅的衍射定律。相位光栅的衍射定律。 在高声频和相互作用长度较大的情况下,并且光束与在高声频和相互作用长度较大的情况下,并且光束与声波波面成一定角度入射时,发生布拉格衍射。其衍射声波波面成一定角度入射时,发生布拉格衍射。其衍射光谱只出现零级和光谱只出现零级和+1级或零级和级或零级和-1级。级。 如果参数选择合适,超声功率足够强,入射光几乎可如果参数选择合适,超声功率足够强,入射光几乎可以全部转移到以全部转移到+1级或级或-1级上,因为布拉格衍射有着较高级上,因为布拉格衍射有着较高的转换效率,所以它比的转换效率,所以它比拉曼拉曼奈斯衍射应用
15、更为广泛。奈斯衍射应用更为广泛。结论结论的整数倍应该为BDAC v 同一镜面上任意两点的贡献应同相同一镜面上任意两点的贡献应同相(图图4-16)riririmnxmxxn)cos(cos)coscos(svsBCDAiirrx入射光束入射光束衍射光束衍射光束v 相邻两镜面的反射光的相位应该相同(图相邻两镜面的反射光的相位应该相同(图4-17) ns2sin布拉格衍射公式布拉格衍射公式拉曼拉曼奈斯衍射与奈斯衍射与布拉格衍射的界定布拉格衍射的界定 拉曼拉曼奈斯衍射与奈斯衍射与布拉格衍射的判断依据声布拉格衍射的判断依据声光相互作用特征长度光相互作用特征长度L0来表示:来表示:20sL 拉曼拉曼奈斯衍
16、射奈斯衍射22120sLL布拉格衍射布拉格衍射2022sLLv 根据光和声的波粒二象性,可得知许多声波对光都具根据光和声的波粒二象性,可得知许多声波对光都具有产生布喇格衍射的特性。据此模型,具有传播矢量有产生布喇格衍射的特性。据此模型,具有传播矢量k、频率为频率为的一道光束可以看成是由动量的一道光束可以看成是由动量k为和能量为和能量 (h/2,h h为普郎克常数为普郎克常数)的粒子束的粒子束(即光子即光子)组成。同样,组成。同样,声波也可视为由动量声波也可视为由动量k s和能量和能量 s的粒子的粒子(声子声子)所组成。所组成。图图4-16所示的衍射可看成是光子与声子的碰撞,每一次碰所示的衍射可
17、看成是光子与声子的碰撞,每一次碰撞引起一个入射光子和一个声子消失,同时沿散射光方向撞引起一个入射光子和一个声子消失,同时沿散射光方向产生一个新的光子。产生一个新的光子。 能量守恒能量守恒决定了衍射光的频率决定了衍射光的频率isdisdkkkkkkisdisd动量守恒动量守恒决定了衍射波的方向决定了衍射波的方向布拉格衍射波矢图V入射光入射光衍射光衍射光i入射光入射光衍射光衍射光iVdikdkiksdikdkiks电场对电极化矢量的影响:电场对电极化矢量的影响:enp) 1(20),(),(2),(0tretrntrp),(),(22222trpttetreNLdddiiiptteepttee)(
18、)(2222222222折射率变化对电极化矢量的影响:折射率变化对电极化矢量的影响:由麦氏方程,有:由麦氏方程,有:上式对入射波和衍射波均成立,故可写成两个标量方程:上式对入射波和衍射波均成立,故可写成两个标量方程:入射光入射光衍射光衍射光v 设该波动方程有如下形式的解:设该波动方程有如下形式的解:ccerEtreccerEtrerktjdddrktjiiiddii)()()(21),()(21),(iddiEjdtdEEjdtdEv 将解带入标量方程,再注意到能量守恒和动量守恒,可得到耦将解带入标量方程,再注意到能量守恒和动量守恒,可得到耦合波方程:合波方程:)sin()0()cos()0(
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