第五讲光波在声光晶体中的传播介绍.ppt

1、光电子技术第五讲光波在声光晶体中的传播周子刚，该讲的主要内容，35。1.声学光栅，3。拉曼-纳斯衍射，4。布拉格衍射，2。声学上引起的折射率变化，当光波和声波同时入射到晶体上时，声波和光波之间会发生诸如偏转光束、改变光强和频率等。这种晶体叫做声光晶体。二氧化碲晶体，1。声光晶体，1。声学光栅，34，1。声光晶体，1。声学光栅，材料：钼酸铅、二氧化碲、硫代砷等。装置：声光偏转器、声光调制器、声光滤波器等。功能：脉冲压缩、射频频谱分析等。应用：激光雷达、电视、屏幕显示扫描、光存储、激光通信等。声光效应1。声光光栅。声波在介质中传播时，由于弹性应变，其折射率随空间和时间周期性变化，当光通过介质时发生

2、衍射(或散射)。这种现象被称为声光效应。声光效应有三层含义：1)介质中必须有超声场。2)弹性效应。3)光被介质中的超声波场衍射(或散射)。1.声光栅，当有超声波在介质中传播时，由于超声波是弹性波，它产生的弹性应变随时间和空间周期性变化，所以介质中各点的折射率会随着该点的弹性应变而相应变化，光会被介质衍射或散射。超声弹性力和弹性应变正弦相位光栅改变衍射光的传播特性。31.介质的折射率也周期性变化。声波是一种弹性波(纵向应力波)，它使介质产生弹性变形，引起每个粒子沿声波传播方向振动，并使介质的密度随密度交替变化。超声波场的作用就像一个光学“相位光栅”，光栅间距(光栅常数)等于声波的波长。当光波通过

3、这种介质时，就会发生光的衍射。衍射光的强度、频率和方向随超声波场而变化。4，声学光栅，1，声学光栅，行波，驻波，移动的“声学光栅”可以被认为是静止的，因为声速是光速(108米)的几十万倍。声波的角频率是s，波矢量是ks(2/s)。超声波行波和声波的方程是应变：X方向位移的变化率，即单位长度的伸长率。S0弹性应变振幅()，ks超声波损耗，s超声波频率，2。声学折射率变化，28。声学折射率变化。根据弹性应变与折射率变化的关系，p弹性光学系数和声波传播引起的折射率变化的最大值由p和S0确定。折射率变化的瞬时值n是时间和坐标的函数。1，超声波行波，27，2，声学折射率变化，介质折射率随时间变化的函数：

4、n -没有超声波时的折射率。1。超声波行波，26。声学折射率变化。假设具有相同参数的两个系列的波的应变为：声学方程被合成，-声波的周期，-声波的波长，2。超声波驻波，25。每个点的振动达到最大位移。在节点处，介质的密度变化最大，n最大。此时，介质的折射率变化最大，在一个周期的其他时间，折射率在最大值和零之间变化。超声驻波，24，(1)折射率在一个周期内变化，2，超声驻波，23，(2)折射率变化频率2fs，2，声折射率变化，(3)声光栅在空间上是固定的，2，超声驻波，22，2对于驻波，当t=0，T/2和T点不在T时间内振动，则没有相位光栅，即相位光栅的频率为2fs。光波进入声光晶体的方式如何影响

5、光波？入射光波，入射波，20。根据声波的频率、入射光的模式和入射光的波长，声光相互作用可分为拉曼衍射和布拉格衍射超声波频率低，光波垂直于入射声场的传播方向，声光相互作用长度l短。拉曼衍射，声光晶体中的两种主要衍射模式，19、超声波频率越高，光波向入射声场的传播方向倾斜，声光相互作用长度L越长。布拉格型衍射，因为当光平行穿过介质时，很难穿过声波表面。因此，通过密集(高折射率)部分的光波的波前将被延迟，而通过松散(低折射率)部分的波前将被提前，因此，通过声光介质的平面波前将出现凸凹现象并成为褶皱表面。3。拉曼-纳斯衍射，1。平面波前入射的变化，18。3。拉曼-纳斯衍射，当一束平行光入射到介质上并垂

6、直于超声波的传播方向时，如果超声波使介质的应变为零，则行波的折射率发生变化，而N的变化使折射率变成正弦相位光栅。入射波，L的变化，1平面波阵面入射，17，假设：光入射到晶体界面，即平面上，入射波是平面波，3，拉曼-纳斯衍射，光通过超声介质获得附加相位，因此在平面上发射的电磁波是，入射波，L的变化，1平面波阵面入射，16，。出射光将产生多级衍射光。根据基本的光学衍射公式，在远屏上某一点p处给出的光振幅为：1平面波阵面入射的变化，15，如果不考虑对时间的依赖，它将不会有助于积分，并且积分坐标x，3，拉曼-纳斯衍射，1平面波阵面入射的变化，14，凌，3，拉曼-纳斯衍射，这将通过积分实部和虚部而获得。

7、13，3，拉曼-纳赛尔衍射，和再利用关系，Jr是R阶的贝塞尔函数，它是由实部和虚部代入得到的，1，平面波阵面入射的变化，12，3，拉曼-纳赛尔衍射，2，每阶衍射光的光强，结论：1，多阶衍射光强度：每项(贝塞尔函数的系数)是一种形式，1，光波长，s，11，3，拉曼-纳赛尔衍射，Im取最大值，只得到衍射极值，和每一次衍射也就是说，m可以求和。光通过介质后的相位变化幅度。2。每级衍射光的强度。结论2。m级衍射光的强度为10。3.拉曼-纳斯衍射。结论4。当忽略介质对光的吸收损失时，每级衍射光之和总是等于1。结论3。不同程度的光强度。m越大，光强越小。2、各级衍射光的强度，9、3、拉曼-纳斯衍射，3两种

8、超声波衍射对比，8、当入射光与声平面之间的角度满足一定条件时，介质中各级衍射光将相互干扰，各级衍射光将相互抵消(相当于通过多个光栅)，仅出现零级和L级衍射光(类似于闪耀光栅)。因此，如果参数选择合理，超声场足够强，几乎所有的入射光能都可以转移到一阶(或-1阶)衍射极值。4。布拉格衍射，1。平面波前入射的变化，7。4.布拉格衍射，1。布拉格条件。只要入射光波满足布拉格条件，它就会在入射角=衍射角=布拉格衍射角的方向上干涉，并产生一个最大值。注意：因为衍射的本质是散射，所以在其他方向上根本没有光，但是由于相互干涉，它基本上抵消了。当入射光强为Ii时，布拉格衍射的零级衍射光强和一级衍射光强的表达式分

9、别为：4。布拉格衍射、2光强度分布和光通过介质产生的附加相位值。0和1级光强度主要由附加相位决定。5、4、布拉格衍射和3是决定衍射强度的因素，因为当光通过时每一级的衍射强度假设换能器的面积为h1，声波的总功率4、4、布拉格衍射和3决定衍射强度的因素。因此，输出强度的表达式如下：一级衍射的衍射效率，3，Ps超声功率，L和H是超声换能器的长度和宽度，M2是反映声光介质特性的常数。什么是声光效应？如何对声光材料进行分类。答：当声波通过介质时，由于弹性光学效应，介质的密度随着声波的振幅周期性地变化，声波像条纹光栅一样作用于光。此时，如果光束以适当的角度射入晶体，就会发生衍射。这种声光衍射现象被称为声光

10、效应。常用的声光材料包括声光晶体、声光玻璃和声光液体。声光晶体：指具有声光效果的晶体。声光晶体除了满足光学晶体的一般要求外，还应具有品质因数大、吸声系数低、声速和温度变化小的特点。声光玻璃：指能产生强烈声光相互作用的玻璃。其性能要求是具有大的声光互作用品质因数、高的光学均匀性和低的光声损耗。声光玻璃通常分为四类：熔融应时；玻璃含有重金属离子；硫属玻璃；单一物质半导体玻璃。水和一些有机碘化物和有机溴化物。液体材料很少使用，经常被性能优异的固体声光材料所取代。问答，2。本次讲座的总结，1。声光晶体、声光效应、弹性光学效应、弹性应变、声光栅、超声波、驻波、行波、衍射等。2。弹性应变与折射率变化的关系。拉曼-纳斯衍射的条件、概念、光强分布和特性，4。布拉格衍射的条件、概念和光强当人们有了知识，就会有各种分析能力和辨别是非的能力