声光调制和扫描技术

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,CH.5 声光调制和扫描技术,一、弹光效应；,二、声光衍射；,三、声光衍射的量子解释；,四、声光相互作用耦合波方程；,五、磁光效应及器件应用；,六、直接调制。,弹光效应：声场作用形变附加电极化折射率改变,弹光系数张量,定义,弹光系数,四阶张量,但 本身不一定对称,和 均为对称张量，可以缩写,s的前3个量与x、y、z方向上的纵向应变有关，后3元素与切向应变有关,s,1,s,2,s,4,s,3,s,5,s,6,弹光效应,折射率椭球的形变,折射率椭球变为：,以熔融石英为例，假设只有,x,方向有伸缩应变：,弹光系数张量,弹光效应,变为单轴晶体，加应变的,x,方向为光轴方向,感应折射率为：,弹光效应,：声场作用形变附加电极化折射率改变,弹光效应,声光衍射,声光衍射,声波通过介质介质中产生随时间、空间周期变化的弹性波折射率周期变化相当于“相位光栅”发生光的衍射,两种衍射：,RamanNath 衍射 声波频率较低（,较大） 声波波束窄 “面光栅”,周期大 声光作用距离短,Bragg 衍射 声波频率较高（,较小） 声波波束宽 “体光栅”,周期小 声光作用距离长,光波,波阵面,声波波阵面,RamanNath,衍射,（仍以熔融石英为例）,平面纵声波沿,x,方向，声波波束宽度为,L,质点位移：,应变场：,单色平面光波，,y,方向偏振，沿,z,方向传输,相应折,射率：,光波,波阵面,声波波阵面,与声场无关,与声场有关,声光衍射,（到中心）,（到子波源,dx,）,（程差）,参照物理 光学的方法，求远场,P,处的光强,将,z = L,处的波阵面分成许多子波元,dx,子波元,dx,对 P 点处光场的贡献,入射场,声光介质中,空气中,与,dx,大小成比例,与,x,无关,与,x,有关,P 点处光强为从 到 的积分,声光衍射,其中,欧拉公式,积分结果,函数,Bessell函数公式,声光衍射,讨论,m,取不同值表示不同方向可能取得极大值,极大条件,m ：衍射级次,对比普通光栅,可见 相当于光栅常数,各级,衍射光强：,由,正、负同级次衍射光强度相等；,各级衍射光总和 = 入射光强,功率守恒，但各级都不强,各级,衍射光均为单色光，但有频移：,声光栅是移动的,衍射光频率：,一般可忽略频移,声光衍射,Bragg,衍射,小、,L,大， 体光栅,折射率周期变化（周期 ）并沿 方向移动，可看作一系列移动的部分反射镜体光栅；,入射,1 级,某一方向得到衍射光的条件：,从同一,“,镜面,”,反射的光光程差为零；,得到,衍射角 = 入射角,相邻两,“,镜面,”,反射的光，光程差,=,光波长整数倍,得到,Bragg条件,但没有考虑声波的移动,0 级,声光衍射,判据,：,什么时候看作体光栅，什么时候看作面光栅,？,光栅模型：,光密层，全不透光,光疏层，全透光,厚度分别为,当光偏离正入射且 时，上半部分和下半部分的光程差 ，由同一光疏层得到的光最弱；,当长度 后，,相邻两光疏层,输出的光不能相遇；,则,Raman Nath 衍射,Bragg 衍射,由图,由,声光衍射,光程,声光衍射的量子解释,根据波粒二象性,频率为 ，波矢为 的光波 能量为 ，动量为 的光子流,频率为 ，波矢为 的声波 能量为 ，动量为 的声子流,两种情况,入射光,衍射光,声波,迎向,光波，消耗一个 光子并吸收一个 声子，,放出 光子,入射光,衍射光,声波,背着,光波，消耗一个 光,子，放出一个 光,子和一个 声子,服从,动量守恒,能量守恒,通常,有,即,与 方向可能不同，但大小相等，波矢图是等腰三角形,从波矢三角形,其中,即 Bragg 条件,满足波矢匹配即满足 Bragg 条件,声光衍射的量子解释,声光相互作用可看成参量相互作用的过程，首先，由于,声场,的扰动，引起介质,电极化率,在时间和空间上的周期变化，使入射光和介质中的超声波,耦合,而产生了系列具有复合频率的极化波，其角频率和波矢量分别为,这些极化波再辐射具有上述复合频率的次波，相应次波的辐射相干增强而形成各级衍射光。,声光相互作用耦合波方程,(了解),声光相互作用耦合波方程,由于声场扰动，介质中产生微扰电极化,是入射光电场与衍射光电场的叠加,声光介质中，普遍波动方程,如果都是线偏振光，可写为标量形式,对,i,进行两次微商,由于,则,考虑同步项，忽略非同步项，即,于是,同样，,入射光波与衍射光波相互作用,入射光波与衍射光波相互作用,其中,可见，,，不存在声光相互作用,只有指数部分为，两种场才有连续积累作用，,耦合系数,当满足布拉格条件，,r,d,r,i,q,q,k,d,k,s,耦合波方程,当只有频率为,的光束入射时，,并有，,在作用长度r,i,r,d,cos,q,内，衍射光强与入射光强之比定义为声光衍射效率,又,则,声光调制,弹光系数,有效应变与声波强度的关系,声光调制器,(,Acousto-optical Modulators,),压电晶体：石英,LN,压电半导体：CdS,ZnO,基本原理,改变应变即改变衍射效率 调制,声光调制就是利用声光效应将信息加载于光频载波上的一种物理过程,调制信号以电信号（调制）形式作用于电声换能器上，再转换为随电信号形式变化的超声场，当光通过声光介质时，由于声光作用，使光载波受到调制成为携带信息的强度调制波,当输入在一定范围内（小信号），获得线性调制。,RamanNath 衍射，要求工作频率较低，,z，相互作用长度小；,否则,工作频率高时，要求的声功率很高,Bragg 衍射，在声功率较小时，,声功率,衍射效率随声强单调增加（线性关系）,弹光系数,P,S,=HLI,S,RamanNath 衍射,LL,0,当工作频率较大时，,很小，于是,很小，因而声光相互,作用的区域L也很小，要满足相同的声光衍射效率，Ps必须很大,弹光系数,调制信号,调制信号,衍射光,衍射光,RamanNath 衍射,Bragg 衍射,声频带宽,又,调制带宽,调制带宽,调制带宽与声光通过光束的渡越时间（,w,0,/,v,s,),成反比即与光束直径成反比，用宽度小的光束可得大的调制宽度,最小声波中心频率,（,Bragg,衍射条件）,声波强度,声波功率,超声功率一定时，为了获得高衍射效率，应当选,M,2,大的材料（品质好），并要求,L,大（作用长度长），,H,小（面积小，声强度大）。,但是，,L,太大，会减小带宽,定义另一声光品质因素,显示给定带宽和要求的声波功率之间的关系,为兼顾带宽和效率的要求，应选,M,1,大的材料。,M,2,=n,6,P,2,/,r,v,s,3,换能器宽度,考虑渡越时间,定义第三个声光品质因素,并考虑,若考虑渡越时间的影响（如光的发散角大），并兼顾带宽和衍射效率，应选 M,3,大的材料。,弹光系数,声光扫描,原理：,利用调频声波，改变 大小而改变衍射光方向,当 时，满足Bragg条件， ，波矢图闭合,偏转角,当声波频率改变,声波波矢改变,衍射光波矢大小不变，改变角度,声光扫描,偏转角与声频的改变成正比,声光扫描器的性能参量（了解）,.可分辨点数,.偏转时间,.衍射效率,磁光效应及其应用,光在晶体中沿光轴方向传播时，不产生,双折射现象。但在很多晶体中，线偏振光沿,光轴方向通过晶体后，偏振面却发生了旋转，,这就是,旋光效应,。,旋光现象,有些物质本来不具有旋光性质，但在磁,场作用下却可表现出旋光性质，这种人为的,旋光现象称为,磁光效应,。,1811年法国的阿喇果(,D.F.J Arago),和毕奥(Biot)在石英晶体中观察到旋光现象。1846年法拉第发现人工旋光现象。,旋光效应,D.F.J Arago,1786-1853.,冰洲石晶体,无旋光现象,旋光现象,石英晶体,旋光现象,磁光效应及其应用,旋光现象的解释,唯象解释,：线偏光沿石英晶体光轴方,向传播时，分解成左旋和右旋两支圆偏振,光，这两者的传播相速不同（对应着不同,的折射率n,左,和n,右,），光波由晶体射出时，,较快的一支圆偏振光比较慢的一支位相超前。由于圆偏振光的电矢量E是在垂直光线的,固定平面内作匀速圆周运动，所以位相就是E转动的角度，位相超前就是指它比另一支,圆偏光的电矢量转过了绝对值较大的角度。因此两支圆偏光重新合成线偏光时，其偏振,面相对于入射时转过了一个角度,。,若晶片厚度为d，一束线偏光通过晶片后的旋转角应为,旋光系数为：, ,d,0,(n,左, n,右,),0,(n,左, n,右,),当k为z方向,kx=ky=0,复介电常数张量为,这是旋光性物质的介电常数具有的特点,1845电法拉第(Faraday)在探索电磁现象和光学现象之间的联系时，发现了一种现象：当一束平面偏振光穿过介质时，如果在介质中，沿光的传播方向加上一个磁场，就会观察到光经过样品后偏振面转过一个角度，亦即磁场使介质具有了旋光性，这种现象后来就称为法拉第效应。,(M. Faraday,17911867,),磁光介质的介电系数张量,受力分析,左旋，向心力,入射光为圆偏振光，电子在光场作用下作圆周运动,电场力：,外加恒定磁场 轨道平面,径向洛伦兹力：,弹性恢复力：,可以预见，对于左旋和右旋两种光，洛伦兹力有向心力和离心力两种情况，即左旋和右旋电子有不同轨道，相应不同的电偶极矩、极化强度和介电系数，即圆双折射。以 表征。,束缚电子的,运动方程,加速度 弹性恢复力 电场力 洛伦兹力,忽略了阻尼力,考虑时谐场,极化矢量,r,的方程变为,P,的方程,设磁场沿,z,方向,各偏振分量相等,谐振频率,回旋频率,介质的极化强度,解得 关系,介电张量形式,旋光晶体中,磁场作用下 形式和自然旋光介质的介电系数张量相同,其本征矢是 （右旋圆偏振）、 （左旋圆偏振）和 （线偏振）。,预期，磁场作用下会产生旋光现象。,法拉第旋转,设：介质在加磁场前各向同性（或立方晶体）,光沿磁场方向传播（前面已设 ）,解得,两种折射率，而且,将解代回,解为,其中取 + 号时,领先，右旋,横波 （ ）；,传播模是两个圆偏振波；,两个模有不同的传播常数。,结果分析：,磁场作用下，线偏振光经过晶体后仍然是线偏振光；,振动面旋转的角度,与沿光束传播方向的磁场强度,H,和材料通光方向的长度,L,成正比,写成,V：费尔德常数 (Verdet), V BL,在磁致旋光效应中，,其旋转方向只决定于磁场方向,，当线偏振光沿磁场,方向通过磁光介质时，振动面向右旋转角度；当光经反射后沿原路返回，,若磁场方向、大小不变，,振动面将朝同一个方向旋转角,。,法拉第效应是一,个不可逆过程。,法拉第效应试验装置,以上推导中， 且同向， 取正（旋向从 ），代表左旋；,如磁场相反，,旋向相反，变成右旋,如磁场不变，光反向传播，旋向（相对于传播方向）也相反,也就是说，相对于绝对参考系，光向同一方向旋转，,不可逆,对比自然旋光，旋转方向与传播方向无关，,可逆,法拉第效应:,作为物质结构研究的手段，如根据结构不同的碳氢化合物其法拉第效应,的表现不同来分析碳氢化合物；,2),半导体物理的研究中，测量载流子的有效质量和提供能带结构的知识；,3),电工技术测量中，它还被用来测量电路中的电流和磁场；,4),在激光技术中，利用法拉第效应的特性，制成了光波隔离器或单通器，这在激光多级放大技术和高分辨激光光谱技术中都是不可缺少的器件。,5),在激光通讯、激光雷达等技术中，也应用了基于法拉第效应的光频环行器、调制器等。,磁光隔离器,磁光材料,产生法拉第旋光效应,，,起偏与检偏夹角,正向光，线偏振光通过 磁光介质后（调整,B,或,L,），,偏振面旋转 ，正好通过,光纤隔离器：先将入射光偏振分光，两个偏振方向的光并行处理，然后合起来。,反向光，,-,，偏振面同（空间）方向再转 ，与 成 ，不通过,磁光器件,磁光隔离器,磁光器件,光学隔离器在激光光路中的应用,磁致旋光只与磁场方向有关而与光传播方向无关,光学非互易器件,磁光调制器（电流传感器）,调制电流,恒定磁场（偏置）,调制磁场,探测,螺线管将电流调制信号变成磁场调制信号,，,法拉第旋转,线偏光通过磁光介质，偏振面旋转，转角 磁场（电流）,检偏 起偏 ，检出偏转角大小,测出电流变化,恒定磁场偏置，以获得较好线性,调制磁场,