光电测试技术课件光辐射的传播声光晶体

光电测试技术课件光辐射的传播声光晶体1第一页，共三十八页，2022年，8月28日

声波是一种弹性波(纵向应力波)，在介质中传播时，使介质产生弹性形变，从而激起介质中各质点沿声波的传播方向振动，引起介质的密度呈疏密相间的交替分布，因此，介质的折射率也随着发生相应的周期性变化。这如同一个光学“相位光栅”，光栅常数等于声波长s。当光波通过此介质时，会产生光的衍射。衍射光的强度、频率、方向等都随着超声场的变化而变化。1.声波2第二页，共三十八页，2022年，8月28日声波在介质中传播分为行波和驻波两种形式。与普通光栅相比，其不同在于不存在不透光部分，每一部分都有光透过，但其折射率不同。3第三页，共三十八页，2022年，8月28日超声波

当物体振动时会发出声音。科学家们将每秒钟振动的次数称为声音的频率，它的单位是赫兹。我们人类耳朵能听到的声波频率为20～20，000赫兹。因此，当物体的振动超过一定的频率，即高于人耳听阈上限时，人们便听不出来了，这样的声波称为“超声波”。通常用于医学诊断的超声波频率为1～5兆赫。超声波具有方向性好，穿透能力强，易于获得较集中的声能，在水中传播距离远等特点。可用于测距，测速，清洗，焊接，碎石等。4第四页，共三十八页，2022年，8月28日

人类直到第一次世界大战才学会利用超声波，这就是利用“声纳”的原理来探测水中目标及其状态，如潜艇的位置等：人们向水中发出一系列不同频率的超声波，然后记录与处理反射回声，从回声的特征我们便可以估计出探测物的距离、形态及其动态改变。医学上最早利用超声波是在1942年，奥地利医生杜西克首次用超声技术扫描脑部结构；以后到了60年代医生们开始将超声波应用于腹部器官的探测。如今超声波扫描技术已成为现代医学诊断不可缺少的工具。5第五页，共三十八页，2022年，8月28日什么是驻波？振动频率、振幅和传播速度相同而传播方向相反的两列波叠加时，就产生驻波。比如水波碰到岸边反射回来时，前进和反射波的叠合就产生驻波。驻波形成时，空间各处的介质点或物理量只在原位置附近做振动，波停驻不前，而没有行波的感觉，所以称为驻波。形成驻波时，各处介质质点或物理量以不同的振幅振动。振幅最大处叫波腹，振幅最小处即看上去静止不动处叫波节。相邻两个波节或波腹之间的距离是半个波长。6第六页，共三十八页，2022年，8月28日

驻波的形成7第七页，共三十八页，2022年，8月28日2.弹光效应定义：介质中的弹光效应是指机械形变S致使光折射率n发生相应的变化物理机制：介质在应力作用下发生形变时，分子间的相互作用力发生改变，导致介电常数（折射率）的改变，从而影响光波在介质中的传播特性。8第八页，共三十八页，2022年，8月28日考虑到的对称性，折射率的变化为：9第九页，共三十八页，2022年，8月28日折射率椭球的形变折射率椭球变为：弹光系数张量以熔融石英为例，假设只有x

方向有伸缩应变：10第十页，共三十八页，2022年，8月28日加应变的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11第十一页，共三十八页，2022年，8月28日1、相位栅类型

超声行波的瞬时相位栅nxn0nsvs图1超声行波在介质中的传播

如图1所示,设声波的角频率为s，波矢为，则沿x方向声波方程和介质的折射率变化为:

密的地方折射率大疏的地方折射率小应变场：12第十二页，共三十八页，2022年，8月28日介质折射率分布为:S为超声波引起介质产生的应变；P为材料的弹光系数,。

由于声速仅为光速的数十万分之一，所以对光波来说，运动的“声光栅”可以看作是静止的（st近似看作不变）。13第十三页，共三十八页，2022年，8月28日驻波方程正向负向14第十四页，共三十八页，2022年，8月28日超声驻波形成瞬时相位栅如图2所示，超声驻波形成的折射率变化为：sxa图2超声驻波若超声频率为fs，那么光栅出现和消失的次数则为2fs，因而光波通过该介质后所得到的调制光的调制频率将为声频率的两倍。

15第十五页，共三十八页，2022年，8月28日

驻波16第十六页，共三十八页，2022年，8月28日二、声光衍射

按照声波频率的高低以及声波和光波作用长度的不同，声光相互作用可以分为拉曼-纳斯衍射和布喇格衍射两种类型。1、拉曼-纳斯衍射

产生拉曼-纳斯衍射的条件：当超声波频率较低，光波平行于声波面入射，声光互作用长度L较短时，在光波通过介质的时间内，折射率的变化可以忽略不计，则声光介质可近似看作为相对静止的“平面相位栅”。

17第十七页，共三十八页，2022年，8月28日当光波平行通过介质时，几乎不通过声波面，因此只受到相位调制。即通过光密部分的光波波阵面将延迟，而通过光疏部分的光波波阵面将超前，于是通过声光介质的平面波波阵面出现凸凹现象，变成一个折皱曲面。入射光sLxy声波阵面声波光波阵面图3拉曼-纳斯衍射图衍射光18第十八页，共三十八页，2022年，8月28日

拉曼-纳斯衍射的特点：由出射波阵面上各子波源发出的次波将发生相干作用，形成与入射方向对称分布的多级衍射光。

+b/2-b/2ki-L/2cos-1l+L/2xd=xlksy图4垂直入射情况

设宽度为b的光波垂直入射宽度为L声波柱，如图4所示。则在声场外P点处总的衍射光强是所有子波源贡献的和。衍射方向及光强的分布：19第十九页，共三十八页，2022年，8月28日Raman—Nath衍射

（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20第二十页，共三十八页，2022年，8月28日（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21第二十一页，共三十八页，2022年，8月28日其中欧拉公式积分结果函数Bessell函数公式偶阶奇阶22第二十二页，共三十八页，2022年，8月28日式中，Jr(v)是r阶贝塞尔函数；l=sin

，。衍射光场强度各项取极大值的条件为：23第二十三页，共三十八页，2022年，8月28日各级衍射的方位角为

各级衍射光的强度为由于，故各级衍射光对称地分布在零级衍射光两侧，且同级次衍射光的强度相等。24第二十四页，共三十八页，2022年，8月28日应该注意到：

由于，表明无吸收时衍射光各级极值光强之和应等于入射光强，即光功率是守恒的。

由于光波与声波场的作用，各级衍射光波将产生多普勒频移，应有。

以上推导是在理想的面光栅条件下进行的，忽略了各衍射光的相互影响，考虑到声束的宽度，则当光波传播方向上声束的宽度L满足条件，才会产生多级衍射，否则从多级衍射过渡到单级衍射。

25第二十五页，共三十八页，2022年，8月28日2、布喇格衍射产生布喇格衍射条件：声波频率较高，声光作用长度L较大，光束与声波波面间以一定的角度斜入射，介质具有“体光栅”的性质。

布喇格衍射的特点：衍射光各高级次衍射光将互相抵消，只出现0级和+1级（或1级）衍射光，如图5所示。s入射光i衍射光i+s2非衍射光图5布喇格声光衍射声波26第二十六页，共三十八页，2022年，8月28日若能合理选择参数，并使超声场足够强，可使入射光能量几乎全部转移到+1级（或1级）衍射极值上。因此，利用布喇格衍射效应制成的声光器件可以获得较高的效率。衍射光图6产生布喇格衍射条件的模型入射光x12衍射光12sidBCx(a)入射光

23xsCEid23(b)ADGF27第二十七页，共三十八页，2022年，8月28日

入射光1和2在B，C点反射的1和2同相位，则光程差AC-BD等于光波波长的整倍数要使声波面上所有点同时满足这一条件，只有使

由C，E点反射的2，3同相位，则光程差FE＋EG必须等于光波波长的整数倍28第二十八页，共三十八页，2022年，8月28日考虑到，所以B称为布喇格角。可见，只有入射角i等于布喇格角B时，在声波面上衍射的光波才具有同相位，满足相干加强的条件，得到衍射极值，上式称为布喇格方程。

29第二十九页，共三十八页，2022年，8月28日布喇格衍射光强度与声光材料特性和声场强度的关系

当入射光强为Ii时，布喇格声光衍射的0级和1级衍射光强的表达式可分别写成

:式中：光波穿过长度为L的超声场产生的附加相位延迟。30第三十页，共三十八页，2022年，8月28日衍射效率为：式中，是声光介质的物理参数组合，是由介质本身性质决定的量，称为声光材料的品质因数（或声光优质指标），它是选择声光介质的主要指标之一；Ps

超声功率；H为换能器的宽度，L为换能器的长度。

31第三十一页，共三十八页，2022年，8月28日相关结论：

若在超声功率Ps

一定的情况下，要使衍射光强尽量大，则要求选择M2

大的材料，并要把换能器做成长而窄（即L大H小）的形式；

当超声功率Ps足够大，使达到/2时，I1/Ii＝100%；

当改变超声功率Ps时，I1/Ii也随之改变，因而通过控制超声功率Ps（即控制加在电声换能器上的电功率）就可以达到控制衍射光强的目的，实现声光调制。

32第三十二页，共三十八页，2022年，8月28日判据，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；则有RamanNath衍射Bragg衍射由图由33第三十三页，共三十八页，2022年，8月28日1、光栅的定义广义地说，具有周期性的空间结构或光学性能（如透射率、折射率）的衍射屏，统称为光栅。34第三十四页，共三十八页，2022年，8月28日2、常见的光栅种类（1）在一块不透明的障板上刻出一系列等宽等间隔的平行狭缝——一维透射光栅。（2）在一块很平的铝面上刻一系列等间隔的平行槽纹——反射光栅。35第三十五页，共三十八页，2022年，8月28日

（3）晶体由于内部原子