当前课程知识点：光学工程基础 > 下篇：物理光学——磁光、电光和声光效应 > 3.23.3 声光效应 > 3.23.3 声光效应
大家好
这一讲我们讲声光效应
声光效应是弹光效应的
一种表现形式
我们先来看看
什么是弹光效应
弹光效应就是
媒质在外力的作用下
发生弹性变形
从而导致媒质的光学性质
发生变化的现象
我们称为弹光效应
我们说声波
在媒质中传播的时候
应变使介质的折射率
随着时间或者空间
发生周期性的变化
?n就等于n倍的
cosωt-Kr
ω是声波的频率
K是声波的波时
Kr表征了
这个折射率的变化量
是时间和空间的函数
光在通过这种媒质的时候
发生衍射现象
这种效应
我们就称它为声光效应
声光效应是声波场
与光波场相互作用的结果
它是弹性效应的
一种表现形式
声波为行波
声波波长用大的Λ
也就是它的空间周期
∧等于2π除以K
K就是我们刚刚说的
说声波的波矢
声速V就等于Ω除以K
就是声波的频率
除以声波的波矢
沿z轴传播的声波
它引起支点的位移uzt
也就等于AcosΩt-Kz
这是我们说的声波
在介质中传播的时候
引起的质点的位移
声波在介质中产生
沿Z轴的应变场
应变场我们用S表示
S等于S0乘以sinΩt-Kz
这里它的?n
就是我们说声波作用下
它产生的折射率的变化量?n
应该等于2分之1倍的n立方p
乘了S0乘以sinΩt-Kz
这里的p就是我们说的
介质的弹光系数
所以折射率变化的大小
是跟声波作用下质点的位移
产生的场应变相关的
光波通过声波作用下
产生的这样一个光栅
它的衍射和一般光栅的衍射行为
是类似的
一般光栅的衍射
它是一个周期固定
而且位置也固定的
这样一个光栅
而声波产生的这样一个光栅
应该是一个运动的
动的光栅
但是声波的速度
相对于光波的速度
要小几个量级
所以可以说光波通过的过程中
光栅的这个位置
还没有来得及移动
它就过去了
但是它会引起一个多普勒频移
这个我们后面再讲
光波通过声光栅的衍射
满足光栅方程
这是光栅方程的公式
Λ乘以sinθI-sinθ
应该等于mλ
其中∧表示声波的波长
λ等于光波的波长
而前头θi是入射角
θ是衍射角
m是衍射级次
根据声波波长
和声光作用长度
我们可以把声光效应
分成两大类
一类是拉曼-奈斯声光衍射
一类是布拉格声光衍射
拉曼-奈斯声光衍射
它的衍射角θ很小 约等于0
声光波长∧比较大
作用的长度L×2πλ除以n倍
∧平方小于小于1
也就是说它的作用长度比较短
这一类型的衍射
叫拉曼-奈斯声光衍射
还有一类叫布拉格声光衍射
布拉格声光衍射的衍射角
θ不等于0
而声光的波长∧比较小
它的作用长度2πL除以n
∧平方乘以λ
应该是大于大于1的
也就是说它的作用长度
相对比较长的时候
这个时候我们称它为布拉格衍射
声光效应与线性电光效应的区别
我们可以看出线性电光效应
只发生在一些
具有特定对称性的晶体中
而声光效应
在所有介质中都会产生
所以声光效应
是普遍存在的一种现象
接下来我们讨论布拉格声光衍射
这是布拉格声光衍射的示意图
波从下往上传播
波面也就是平 水平线
波面是是声波波面
就是我们这里划的这些蓝线
是声波的波面
它的声波的频率是Ω
而入射的光波
是以θi角入射的光波
它的频率是ω
波长是λ
入射的光波经过这样一个间距
为Λ就是声波声长的
这样一个光栅的时候
它会发生衍射
衍射出来的光波
方向这里画的是θ
然后它的频率应该是Ω+ω
就是光波的频率
加上多普勒平移Ω
根据相邻波面衍射光的光程差
应该等于光波波长的整数倍
我们再结合光栅方程
我们可以得到
布拉格衍射条件就是θ=θi
就是衍射角等于入射角
我们叫它这个角度命名它为θB
就叫布拉格衍射角
只有满足这个条件的
波的方向
才能出来很强的衍射光强
而其它的方向上
衍射效率都很低
由这个公式θ=θi=θB
我们代入到前面光栅方程里头去
就可以得到2倍的K乘以sinθB
应该等于∧
就是声波的波长
把光波的波矢2π除以λ除以n
和声波的波矢时2π除以∧带入
我们刚才导出来这个方程
就可以得到声波的波长
∧和光波的波长λ之间这样关系
2倍的∧sinθB应该等于λ除以n
出射波中只有一个峰
或者是正一级衍射
或者是负一级衍射 这个峰
这个峰就是我们所说的
布拉格衍射波
布拉格衍射波的0级和1级光强
0级也就是入射波的方向
没有变的这个方向的光强
和衍射波一级
就是变化了的θ方向上
θB方向上这个方向上的光强
它俩应该分别等于I0
等于入射光的强度I（i）
cos2分之δ平方
I1 一级衍射波的强度
应该等于Iisin2分之δ平方
可以看出来
它俩的强度是互补的
0级衍射波强的时候
一级衍射波弱
一级衍射波强的时候
0级衍射波弱
所以它俩是一个互补的关系
其中的δ应该等于2π除以λ
乘以δn乘以L除以cosθb
δn是我们说的
声波产生的这个折射率的差
θb是布拉格衍射角
考虑多普勒频移的时候
布拉格衍射波的频率
会变为ω加Ω
ω是光波的频率
Ω是声波的频率
接下来我们看拉曼-奈斯声光衍射
拉曼-奈斯声光衍射
是在声波作用比较弱
作用长度L比较短的时候的
一种衍射
叫拉曼-奈斯衍射
当光波通过的时候
相位受到调制
类似于相位光栅的作用
这个声波衍射
相当于一个相位光栅
光波通过这样一个
相位光栅的时候
各级衍射波最大值
的方向
应该满足光栅方程
光栅方程就是
我们前头已经写出来了
这里把∧除过来
就应该等于sinθi
就是入射角度的正弦减掉sinθ
就是衍射波角度的正弦
应该等于m倍的λ除以∧
λ是光波的波长
∧是声波的波长
也应该等于m倍的K除以k
K是声波的波矢
k是光波的波矢
这里头m等于正负一正负二
就是衍射的级次
因为拉曼奈斯声光衍射
衍射级次比较多
而且它的衍射效率也比较低
所以目前应用已经比较少了
最后我们讲声光效应的应用
声光效应的应用主要有四类
我们先讲声光调制器
这是声光器件的基本结构示意图
最下面是压电换能器
也就是超声波发生器
也就是把这个电能
转化成声波的能量
从下往上传播
声波从下往上传播
形成周期性的结构分布
传到最上面的时候
用吸声的介质
就是把声波吸收掉的这种媒质
把多余的声波吸收掉
当我们的光波入射到
这样一个声光媒质的时候
以θi角入射
它会产生衍射
衍射波是正一级或者负一级
入射波的方向是这个方向
周期性结构这个周期
是声波的周期∧
衍射波的光强跟声波的光强
可以呈简单的线性关系
如果对声波进行调制的话
则光波的强度就被调制了
因此可以将所需要的信息
加载在这个光波上
就通过这样一个声波调制器
把信息加载在光波上
在光通讯的时候
光信息传输的时候
要进行信息的加载
加载在光波上
可以用一个声波调制器
完成这种功能
第二个是声波偏转器
所谓的声波偏转器
就是使入射的光波的能量
转移到衍射光波上
衍射光波跟入射光波
有一个角度变化
所以它可以
使入射光波发生一个偏转
我们前面导出了sinθB
θb是布拉格衍射角
sinθB应该等于Ω乘以λ
除以2倍的nVs
VS是声波的波速
当这个角度比较小的时候
可以用这个（小角度近似）
θB也就约等于
ω乘以λ除以2nVs
通过改变超声波的频率
Ω可以改变衍射波
光波的偏转方向
所以声光偏转器
可以用于激光电视扫描
或者xy记录仪等
快速 随机读取的装置
也就是让一束波从一个角度
到另一个角度来来回回的
这样一个扫描过程
可以通过这样一个
声光偏转器完成
第三种应用是声光频谱分析器
这是声光频谱分析器的光路图
前面的激光器发出的光
通过一个准直扩束系统
把它以一个比较宽的光束
入射到这个声光频谱分析器上
声光频谱分析器
跟我们前面的基本结构
是一样的
这个叫布拉格声光盒
下面换能器加上声波
当光波通过这样一个
布拉格声光盒的时候
声波的频率不一样的时候
它会发生角度的偏转
就是出射光的方向会发生偏转
所以出射光的出射角度
跟声波的波长是有一定的关系的
而跟这个入射光的波长
也是呈正比的
我们前面导出了θB
应该约等于ω乘以λ
除以2倍的nVs
所以λ不一样的时候
它的衍射角度
最大值的位置就是不一样的
所以在后面观察面上
可以观察到不同的频率的光波
所以它是一个频谱分析器
第四一种就是声光可调谐滤波器
实际上它跟刚才讲的
声光频谱分析器的原理是一样的
只是要在这个
最后这个频谱面上加一个狭缝
就是让不同频率的光波
也就是不同波长的光波
透过 其它的波长滤掉
所以就可以实现滤波
也就可以实现
可调谐的声光滤波器
这一讲就讲到这里
-1.1.1 课程背景和内容简介
-1.1.2 光学工程的特点
--光学工程的特点
-1.1.3 本课程的学习方法
--本课程的学习方法
--外部链接
-1.2.1 微积分基础知识
--微积分基础知识
-1.2.2 光学工程中的常用函数
-1.2.3 常用函数的运算与变换
-扩展阅读
--SPIE课程：Light in Action-Lasers,Cameras&Other Cool Stuff
--SPIE课程：A Day Without Photonics-A Modern Horror Story
--SPIE课程：Advice to Students from Leaders in the Optics&Photonics Community
--版权说明
-2.1.1 基本概念和光线传播基本定律
-2.1.2 成像基本概念
--成像基本概念
-2.1.3 费马原理
--费马原理
-2.1.4 等光程成像
--等光程成像
-2.1.5 常用曲面形状
--常用曲面形状
-第一次作业--作业
-2.2.1 近轴光学基本概念
--近轴光学基本概念
-2.2.2 近轴球面成像
--近轴球面成像
-2.2.3 近轴球面成像放大率
-2.2.4 物像空间及光学不变量
-2.2.5 矩阵光学简介
--矩阵光学简介
-2.2.6 矩阵光学应用
--矩阵光学应用
-第二次作业--作业
-2.3.1 理想光学系统基本概念
-2.3.2 理想光学系统的基点与基面
-2.3.3 图解法求像
-2.3.4 解析法求像
-2.3.5 理想光学系统的放大率
-2.3.6 理想光学系统焦距关系
-2.3.7 理想光学系统组合
-2.3.8 透镜与薄透镜
-2.3.9 远摄型光组和反远距型光组
-第三次作业--作业
-2.4.1 平面反射镜及双平面反射镜
-2.4.2 反射棱镜及其展开和平行平板成像
-2.4.3 反射棱镜成像方向
-2.4.4 棱镜转动定理
-2.4.5 角锥棱镜和折射棱镜
-2.4.6 光学材料简介
-第四次作业--作业
-2.5.1 光阑简介与孔径光阑
-2.5.2 视场光阑与渐晕
-2.5.3 远心光路
-2.5.4 景深
--2.5.4 景深
-第五次作业--作业
-2.6.1 光度学与色度学基础
-2.6.2 视见函数和光度学
-2.6.3 光传播过程中光学量的变化规律
-2.6.4 色度学基本概念
-2.6.5 CIE标准色度学系统
-第六次作业--作业
-2.7.1 球差
--2.7.1 球差
-2.7.2 色差
--2.7.2 色差
-2.7.3 子午像差和弧矢像差
-2.7.4 彗差、像散、场曲、畸变
-2.7.5 垂轴像差、波像差
-2.7.6 光学传递函数
-第七次作业（像差）--作业
-2.8.1 人眼的光学模型
-2.8.2 人眼的缺陷与校正
-2.8.3 人眼的景深
-2.9.1 光学系统的分辨率
-上篇：应用光学——光学系统的分辨率（光学系统分辨率）
-2.9.2 人眼的分辨率
-上篇：应用光学——光学系统的分辨率--第八次作业(人眼)
-2.10.1 放大镜
-上篇：应用光学——放大镜--第八次作业(放大镜)
-2.10.2 放大镜的光束限制和视场及目镜
-2.11.1 望远系统
-2.11.2 望远镜的放大倍率
-2.11.3 望远镜的视觉放大率
-2.11.4 望远镜的分辨率
-第九次作业（望远镜）--作业
-2.12.1 显微镜及其放大率
-2.12.2 显微镜的视觉放大率
-2.12.3 显微镜的孔径光阑
-2.12.4 显微镜的机械筒长
-2.12.5 显微镜的分辨率及有效放大率
-2.12.6 显微镜的景深
-2.12.7 显微镜的照明系统
-第九次作业（显微镜）--作业
-3.1.1 电磁场的波动性
-3.1.2 平面电磁波及其性质
-3.1.3 球面波与柱面波，光波辐射与辐射能
-3.2.1 电磁场的连续条件（边界条件）
-3.2.2 光在两电介质分界面上的折射与反射
-3.2.3 菲涅耳公式
-3.2.4 全反射与倏逝波
-3.2.5 金属表面的反射
-3.2节课后习题--作业
-3.3.1 光的吸收、色散和散射
-3.4.1 光波的叠加
-3.5.1 干涉原理及相干条件
-3.5节课后习题--作业
-3.6.1 干涉图样计算
-3.6.2 分波阵面干涉装置的特点
-3.6节课后习题--作业
-3.7.1 时间相干性
-3.7.2 空间相干性
-下篇：物理光学——干涉条纹的对比度及其影响因素
-3.8.1 干涉条纹的定域
-3.8.2 平行平板产生的等倾干涉
-3.8.3 楔形平板产生的等厚干涉
-下篇：物理光学——平板的双光束干涉--3.8节课后习题
-3.9.1 斐索干涉仪
-3.9.2 迈克尔逊干涉仪
-下篇：物理光学——典型的双光束干涉系统及其应用
-3.10.1 平行平板的多光束干涉
-3.10.2 F-P 干涉仪
-3.10.3 光学薄膜基础
-3.10.4 单层膜与多层膜
-3.10课后习题--作业
-3.11.1 惠更斯—菲涅耳原理
-3.11.2 菲涅耳—基尔霍夫衍射公式及衍射分类
-3.11节习题--作业
-3.12.1 夫朗和费衍射公式的意义
-3.12.2 矩孔衍射和单缝衍射
-3.12.3 圆孔衍射
-3.12节习题--作业
-3.13.1 成像系统的分辨本领
-下篇：物理光学—— 光学成像系统的衍射和分辨本领
-3.14.1 双缝与多缝的夫朗和费衍射
-3.14.2 光栅的分光性能
-3.14.3 几种典型光栅
-3.14节习题--作业
-3.15.1 圆孔和圆屏（盘）的菲涅耳衍射
-3.15.2 菲涅耳透镜
-下篇：物理光学—— 菲涅耳衍射（菲涅耳衍射）
-3.16.1 平面波的复振幅分布和空间频率、复杂复振幅及其分解
--3.16.1 平面波的复振幅分布和空间频率、复杂复振幅及其分解
-3.16.2 光波衍射的傅里叶分析方法
-3.16.3 透镜的傅立叶变换性质
-3.16.4 相干成像系统分析及相干传递函数
-3.16节习题--作业
-3.17.1 非相干成像系统分析及光学传递函数
-3.17.2 阿贝成像理论、波特实验与光学信息处理
-3.17.3 全息术
-3.17节习题--作业
-3.18.1 偏振光概述
-3.18.2 光在晶体中的传播
-3.18.3 单色平面波在晶体中的传播
-3.18.4 单轴晶体中光的传播
-3.18节习题--作业
-3.19.1 光波在晶体表面的折射和反射
-3.20.1 偏振棱镜和相位延迟器(一)
-3.20.1 偏振棱镜和相位延迟器(二)
-3.20.2 偏振光和偏振态的琼斯矩阵表示
-3.20节课后作业--作业
-3.21.1 偏振光的变换
-3.21.2 偏振光的测定
-3.21节课后习题--作业
-3.22.1 平面偏振光的干涉
-3.22.2 会聚偏振光的干涉
-3.22节课后习题--作业
-3.23.1 旋光现象和磁致旋光效应（一）
-3.23.1 旋光现象和磁致旋光效应（二）
-3.23.2 电光效应（一）
-3.23.2 电光效应（二）
-3.23.3 声光效应
-下篇：物理光学——磁光、电光和声光效应--3.23节课后习题
-期末考试--作业
