什么是声光效应?

什么是声光效应?

[拼音]：shengguang xiaoying

[外文]：acousto-optic effect

当超声波传过介质时，在其内产生周期性d性形变，从而使介质的折射率产生周期性变化，相当于一个移动的相位光栅，称为声光效应。若同时有光传过介质，光将被相位光栅所衍射，称为声光衍射。利用声光衍射效应制成的器件，称为声光器件。声光器件能快速有效地控制激光束的强度、方向和频率，还可把电信号实时转换为光信号。此外，声光衍射还是探测材料声学性质的主要手段。

1922年，L.N.布里渊在理论上预言了声光衍射;1932年P.J.W.德拜和F.W.席尔斯以及R.卢卡斯和P.比夸特分别观察到了声光衍射现象。从1966年到1976年期间，声光衍射理论、新声光材料及高性能声光器件的设计和制造工艺都得到迅速发展。1970年，实现了声表面波对导光波的声光衍射，并研制成功表面（或薄膜）声光器件。1976年后，随着声光技术的发展，声光信号处理已成为光信号处理的一个分支。

基本理论

d性形变所引起的介质折射率变化可以写成

式中n为介质的折射率，S为介质形变的程度，p为声光（或d光）系数（由材料性质决定）。声光衍射的特性与声光互作用长度L的大小有关（图1）。声光衍射特征长度的定义为

式中 λ＝λ0/n 为介质中光波波长（λ0为真空中波长），


为超声波波长（v为声速，f为频率）。由上式可见，在高频工作时，L0很小。

喇曼-奈斯衍射

要求满足条件


，相当于平面光栅。此种衍射的特点是：

（1）对入射光方向无严格要求，一般取垂直入射；

（2）衍射光有许多级（图1a），第m级衍射光的方向和衍射效率为

式中Ii为入射光光强；V呏（2π/λ0）墹nL，称为声光相移；Jm是第m阶贝塞尔函数。当V=1.84弧度时，J1(V)达到最大，并有η


=0.339=33.9％，高级衍射的效率更低。

布喇格衍射

要求满足条件L≥2L0，相当于体光栅。此种衍射的特点是：

（1）只有当入射光方向满足一定条件时，才有显著的声光衍射；

（2）衍射光或者只有+1级或者只有-1级（图1b），并分别称为±1级布喇格衍射。入射光和衍射光方向以及衍射效率为

式中θi和θd分别为入射光和衍射光与超声波波面的夹角，θB为布喇格角。布喇格衍射只出现一束衍射光，且η可高达100％(V=π时)，故在实用上一般都采布喇格衍射。

声光器件

在实际器件中，超声波是由压电换能器激发，声光互作用介质和压电换能器相结合即为声光器件(图2)。声光器件分为两类。

（1）体声光器件:声波和光波均在介质体内传播，声光互作用介质和压电换能器常用铟、锡或铝等软金属材料，通过真空冷压焊工艺粘合在一起。

（2）表面(或薄膜)声光器件：声波为沿介质表面传播的声表面波，光波则为在平面光波导中传播的导光波。这时，声光介质和压电材料融为一体，衬底材料必须既具有声光效应又具有压电效应，常用的材料有Y切铌酸锂，而叉指换能器只需在材料表面蒸镀叉指状电极。

声光调制器

根据声光调制原理制成的器件。声致相移V和超声功率Pa之间的关系为

式中M2呏n6p2/ρV3(ρ为介质的密度)是由声光材料性质决定的物理量，称为声光优值。由式(2)和(3)可见，改变Pa（实际是改变加在压电换能器上的电信号功率）即可改变η或Id的值。当V较小时，sin(V/2)≈V/2，易得η≈(V/2)2∝Pa，即可实现线性调制。

声光偏转器

根据声光偏转原理制成的器件。由图1b可见，偏转角(即衍射光与入射光之间的夹角)α=θi+θd，把式(1)代入，即得

改变加在压电换能器上的电信号的频率f，即可改变衍射光的方向。

声光移频器

由于超声波是向前传播的，声光衍射时光将发生多普勒频移。对于 ±1级布喇格衍射，ωd=ωi±Ω，式中ωi、ωd和Ω分别为入射光、衍射光和超声波的圆频率。改变电信号的频率f=Ω/2π，即可改变衍射光的频率。

声光可调滤光器

例如入射光具有复杂的光谱成分(即包括许多不同波长的光)，式(1)可改写成θi=λf/2V。当θi一定时，λf为常数。相对地改变电信号频率f，波长不同的光将相应地分别被声光衍射取出。

参考书目

徐介平：《声光器件的原理、设计和应用》，科学出版社，北京，1982。R.W.Damon，W.T.Maloney and D.H.McMahon，In-teraction of Light with Ultrasound: Phenomena and Applications，Physical Acoustics，Vol.7，AcademicPress， NewYork，London，1970.