2.3+光波在声光晶体中的传播ppt课件

2020/5/27共33页1，如果光波和声波同时发射到晶体，则声波和光波之间就产生相互作用，使光束偏转，或改变亮度和频率等，可用于控制光束，这种晶体称为声光晶体。常见的声光晶体包括钼酸铅(PbMoO4)、二氧化碲(TeO2)、硫比酸砷酸(Tl3AsS4)等。由于光学效应，超声波纵波以行波形式在介质中传播时，介质的折射率产生正弦或余弦定律的变化，并与超声波一起传播。激光通过这种介质时，会发生光的衍射，即声光衍射。离散化碲晶体，2.3光波在声光晶体中传播，2020/5/27共33页2，声光效应的应用：(1)声场的能量分布，声学衰减系数，声速弹性系数和弹性系数的测量，(2)光电激光和超声波技术的发展，声光效应儿子在光电中有广泛的应用声光调制器、声光q、声光钳制器和声光偏转器等。(3)根据声光效果产生的衍射，光束的强度、方向和频率各不相同，因此，可以设计和制造光强度调制器、光束导向器和激光q开关等装置。光波在声光晶体中传播2.3光波。2020/5/27的33面3，光效应：当物质被弹性应力或变形反应时，介质的折射率发生变化。这种应力导致折射率变化的现象称为光效应。声光衍射：由于光学效应，超声波纵波以行波形式传播到介质时，介质的折射率产生正弦或余弦定律，并与超声波一起传播。激光通过这种介质时，会发生光的衍射。2.3光波传播到声光晶体，光波和声波如何相互作用？2020/5/27共33页4的声波是介质中产生相应弹性变形的弹性波(纵向应力波)，每个粒子沿声波的传播方向振动，介质的密度稀疏，交替变化。介质的折射率也相应地周期性变化。超声场的这一部分就像光学的“相位光栅”，与声波波长s相同的晶格间距(晶格常数)。光波通过这种介质时，会发生光的衍射。其衍射光的强度、频率、方向等都随着超声场的变化而变化。第一，声波光栅，2020/5/27共33页5，介质中的声波传播分为行波和驻波两种形式。图1.3-1显示了特定时刻超声行波的情况。深色部分表示介质被压缩，密度增加，折射率增加，白色部分表示介质密度减少，折射率减少。在行波声场作用下，介质折射率的增加或减少交替变化，以声速s(通常为大n，小n，103m/s)前进。声速只有光速(108米)的几十万分之一，因此在光波中，运动的“声音晶格”可以认为是静止的。声波的每个频率为s，波矢量为ks (=2/s)，2020/5/27的33页6，其中n=-(1/2) no3ps，(1.3-3 )表达式中s是由超声波引起的，a是介质粒子的瞬时位移，a是粒子位移的振幅。大致可以认为介质折射率的变化与介质粒子x方向位移的变化率成正比。也就是说，2020/5/27共33页7，声波驻波由两个波长、振幅和相位相同、传播方向相反的声波叠加而成，如图1.3-2所示。声驻波方程是声驻波的振幅为2Acos(2x/s)，x方向上的点不同，但相位2t/Ts在每个点上都相同。X=n s/2或2n s/4 (n=0，1，2，)在每个点处，驻波的振幅是最大值(等于2A)，这些点称为波复，波倍之间的距离是 s/2。X=(2n 1) s/4的每个点处驻波的振幅为零，这些点称为波节，波节之间的距离也为s/2。(1.3-4)，2020/5/27的第33页8，由于包皮和波形部分的位置在介质上是固定的，因此生成的晶格的空间也是固定的。形成的折射率变化(与介质粒子x方向位移的变化率成正比的自下而上推导和n=-4A/s)，(1.3-5)，在一个周期内介质中出现两次稀疏层，波截面中密度保持不变，折射率为反周期(Ts/2)在两次变化中的某一时刻，介质各部分的折射率相同，相当于没有声场效果的均匀介质。如果超声波频率为fs，则光栅出现和消失的次数为2fs，光波通过该介质获得的调制光的调制频率是声波频率的两倍。2020/5/27为33页9。根据声波频率的高低以及声波和光波的长度，声光相互作用可以分为拉曼纳斯衍射和布拉格衍射两种类型。第二，声光相互作用的两种类型在超声波频率低、光波平行于声波面(即垂直于声场传播)、声光相互作用长度l短时发生拉曼纳斯衍射。相反的是布拉格衍射。2020/5/27共33页10的声速远小于光速，因此声光介质可以被视为静止平面相位光栅。而且，声波波长s比光波长大得多，并且光波平行于介质时很少通过声波面，因此只需进行相位调制。也就是说，通过高光密度(折射率大)部分的光波阵列被推迟，通过光学松散(折射率小)部分的光波阵列被提前，因此通过声光介质的平面波阵列的凸波形被改变为皱纹表面。1拉曼-纳斯衍射，2020/5/27共33页11，声光介质的声波是宽度沿l在x方向扩散的平面纵波(声波柱)，波长是s(每个频率)，波矢量ks指x轴，如图1.3-4所示，将声行波近似视为不随时间变化的超声场时，可以省略对时间的依赖，因此沿z方向的折射率分布为n (x，t)=no nsen ( ST-ksx) (1.3-7)，n (x，t)=no nsenn是声折射率变化。2020/5/27共33页12，Ein=Aexp(IRP CT)(1.3-9)发出的光波不再是实心平面波，而是由函数n(x)确定的波纹曲面，光场(1.3-9)如果调查平面光波的垂直入射，则y=-l/2入射在介质的前表面，接收光波为：此入射光波在远p点的总衍射，2020/5/27的总33页13，(1.3-12)，在表达式中，l=sin(根据观察角度的附加相位延迟)表示衍射方向的正弦。q是入射光束宽度。=( n) kill=2 ( n) l/表示自下而上(因为折射率不同，所以附加相位延迟)，使用Euler公式展开到(1.3-11)，那么光的场强就是所有波源贡献的总和，即关系式2020如果用(1.3-12)表达式替换此表达式，则积分得到的实际部分的表达式为(k=2/)(1.3-15)，(1.3-13)和(1.3-12)表达式的虚拟部分的积分为0从下而上看，衍射光场强角度最大值的条件是，sinki土壤MKS=0 (m=整数0)(1.3-14) 角度和波矢量KS确定后，当其中一个最大值时，其他项目的贡献几乎为零，因此，m采取其他值时，其他角度方向的衍射光将获得最大值。(1.3-14)表达式将每个衍射的方位角确定为2020/5/27的33页15，回顾了上述分析、拉曼-纳斯声光衍射的结果，将光波从远距离确定为一定衍射角度m(传播方向)和衍射角度(1.3-15)衍射光强由(1.3-16)表达式确定，因此这种衍射光是不连续的。因此，所有级别的衍射光对称地分布在0级衍射光的两侧，同层衍射光的强度相同。这是拉曼-纳斯衍射的主要标志之一。此外，在(1.3-15)、(1.3-16)中，m表示衍射光的阶数。在所有级别上，衍射光的强度都不被吸收时，衍射光所有级别上的极限亮度之和表示入射光强度，即光电力必须保持。由于光波和声波场的相互作用，所有衍射光波根据能量守恒原理生成多普勒频移，=i土壤mrap s(1.3-17)和每个衍射光强在每个频率上调制为2s。但是，超声波频率为109Hz，光波频率达到1014Hz，因此可以忽略频率移动的影响。2020/5/27共33页17，如果入射光和声波面之间的角度满足特定条件，则在介质内的任何级别上衍射光相互干涉，并且每个高级衍射光相互抵消，从而产生具有0和l级(或-1级) (取决于入射光的方向)的衍射光的布拉格衍射(类似于闪耀光栅)。因此，如果可以合理选择参数，则超声场几乎全部入射光能量都足够强，足以移动到1级(或1级)衍射极值。因此，可以充分利用光束能量。布拉格衍射效应制作的声光装置可以获得很高的效率。2布拉格衍射，等向介质中的正常布拉格衍射。在2020/5/27的33页18，blazedgrating将光栅雕刻成锯齿线槽截面时，光栅的光能集中在预定方向，即blazed grating。在某种光谱上。在这个方向勘探时，光谱的强度最大。这种现象称为闪耀，这种晶格称为闪耀晶格。在这样雕刻的闪耀晶格中，起衍射作用的槽面是一个称为“光泽角度”(blazeangle)的平滑平面，与光栅的表面成角度。与最大光强度对应的波长称为blazewavelength(闪耀波长)。闪耀角度设计允许将光栅应用于特定波段的特定光谱级。2020/5/27是33页19，声波通过的介质可以从s部分反射，部分透射的镜子大致看出来。对于行波超声场，这些镜像在速度对x方向移动(由于s 驻波超声场完全不动。2020/5/27为33页20。平面波l和2以角度I进入声波场，在b，c，e的每个点部分反射，产生衍射光1 ，2 ，3 。各衍射光干涉增强的条件是，它们之间的光路差异必须是波长的全部倍数或相同相位。图a为视觉，要使差分AC-BD同时满足光波波长的全部倍数，即xc (cosi-cosd)=m/n (1.3-18)，2020/5/27的33页21等光波面的所有点，则I=，s (Sini sind)=m /n (1.3-20)考虑I=d，如图b所示，因此I，d，2020/5/27由c，e点反射，该点必须是33页22的光波波长的整数倍2 ssinb=/n或sinb=/(2ns)=fs/(2n vs)(1.3-21)式的I=d=b称为布拉格角度。声波面上衍射的光