第三章光波的调制
第二部分—声光调制和磁光调制
3.6声光调制的物理基础
۩ 3.6.1超声波的概念 ۩ 3.6.2声光效应
۩ 3.6.3拉曼——奈斯衍射
۩ 3.6.4布拉格衍射 ۩ 3.6.5声光调制 ۩ 3.6.6声光偏转
3.6.1超声波的概念

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 20 赫兹至 20000 赫 兹之间，而 20000 赫兹以上的声音是超声，尽管听不到， 却很有意义。 超声波有两个特点，一个是能量大，一个是沿直线传 播。它的应用就是按照这两个特点展开的。 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 时，介质质点振动的频率很高，因而能量很大。
声光效应与电光效应
相似之处：
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。
区别：
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。
3.6.3拉曼——奈斯衍射
1、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 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。 2、在介质中形成了周期性的有不同折射率的间隔层，这 些层以声速运动，层间保持声波波长一半（ λs/2 ）的距 离，当光通过这种分层结构时，就发生衍射，引起光强 度、频率和方向随超声场的变化。
3.6.3拉曼——奈斯衍射
声波阵面
对于垂直入射情形，相对于 0 度 方向的衍射极值角度方向由公式
λ s
入射光
sin m m s
m 0,1,2,
λ
式中θ m为第m级衍射极值的偏角。
L
3.6.3拉曼——奈斯衍射
拉曼—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 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。
声光衍射
根据光波波将声光衍射分为：
拉曼——奈斯衍射 布拉格衍射
3.6.3拉曼——奈斯衍射
1、在低声频和声波束的宽度（即声光相互作用）L不大的 情况下且 k⊥ks 时可以将声光介质看成一块普通的位相光 栅。 2、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 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 作用而产生的声光衍射，就称为拉曼——奈斯衍射。
超声波的应用2
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 是压电陶瓷，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 大的机械力，把水“打碎”，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 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。 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 声波的巨大能量还可以把人体内的结石击碎．
超声波的应用1
蝙蝠非常善于使用超声。它们用喉头发出 20千赫至120千赫之间的超声 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、 形状和速度。那份灵巧和精确让人瞠目。 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。 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。
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，因而这种衍射遵循普通 相位光栅的衍射定律。
3.6.4 布拉格衍射
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 射光谱只出现零级和+1级或零级和-1级。 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 +1 级或 -1 级上，因为布拉格衍射有着较 高的转换效率，所以它比拉曼 — 奈斯衍射应用更为广泛。
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 爆被锁定的鱼雷。由于是在水下，声波拦截鱼雷时的速 度可达1.5千米/秒。
超声波的应用4
3.6.2 声光效应
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。 弹光效应：由于外力作用而引起介质光学性质变化的 现象。 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。 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。
超声波的应用3
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 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。 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 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。 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 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。
3.6.4 布拉格衍射
1、布拉格条件
①同一镜面上任意两点的贡献应同相(图4-16)