声光器件中的热学效应
声光效应课件ppt
相邻波阵面波阵面衍射光的干涉
增强条件
n FE EG ns sini sind m0
当m 1时，得到Bragg公式
2ns sinB 0
sin B
0 2ns
0
2nVS
fs
ks 2k
17
24、4 声光作用粒子模型
一、Bragg衍射的粒子模型
将光束看做是光子流，声场看做是声子流，则声光作用可以看
行波相叠加形成的。
u( x, t ) Asin(st ks x)
Asin st ks x
u( x, t ) Asin(st ks x)
2Acos ks x sin st
9
24、1 声光效应
声驻波场的时间调制
S
u( x, t) x
S0
sin st sin ks
x
n x, t nsin st sin ks x
i, j
Pij S j
1, 2 6
Pmn 石英
P11 P12
P12
0
P12 P11 P12
0
P12 P12 P11
0
0 0 0
1
2 P11 P12
0 0 0
0
0 0 0
0
0 0 0
0
1
2 P11 P12 0
0
0
0
0
0
1
2
P11 P12
6
24、1 声光效应
无超声场时石英晶体的折射率椭球为：1 n2
声光效应课件
24、1 声光效应
声光调制的基础是声光效应
声光效应是指光波在声场中传播时被超声场衍射或者散射的现 象。即当声波和光波同时射到晶体上时，它们将发生相互作用。 声光效应是机械波和电磁波之间通过介质进行的相互作用。
声光效应总结报告范文(3篇)
第1篇一、引言声光效应是一种重要的物理现象，指的是声波在传播过程中与物质相互作用，导致物质的折射率发生变化的现象。
声光效应在光学、声学、光电子学等领域有着广泛的应用，如声光调制、声光隔离、声光开关等。
本文对声光效应的基本原理、研究进展、应用领域及发展趋势进行总结。
二、声光效应的基本原理声光效应的产生与声波在介质中的传播有关。
当声波传播到介质中时，介质的密度和折射率会发生变化，从而影响光波的传播。
根据声波与光波的相互作用，声光效应可分为以下几种类型：1. 声光折射：声波传播到介质中，使介质折射率发生变化，导致光波发生折射。
2. 声光衍射：声波与光波相互作用，使光波发生衍射。
3. 声光吸收：声波传播到介质中，使介质吸收部分光能。
4. 声光散射：声波传播到介质中，使光波发生散射。
三、声光效应的研究进展1. 声光材料的研究：近年来，随着声光材料研究的深入，新型声光材料不断涌现，如声光晶体、声光玻璃等。
这些材料具有优异的声光特性，为声光效应的应用提供了更多选择。
2. 声光器件的研究：声光器件是声光效应应用的关键，近年来，声光器件的研究取得了显著进展。
例如，声光调制器、声光隔离器、声光开关等器件在通信、光学传感等领域得到了广泛应用。
3. 声光效应在光学领域的应用：声光效应在光学领域具有广泛的应用，如光纤通信、激光雷达、光学成像等。
通过声光效应，可以实现光波的调制、隔离、开关等功能。
四、声光效应的应用领域1. 通信领域：声光调制器在光纤通信系统中具有重要作用，可以实现高速数据传输。
2. 光学传感领域：声光传感器具有高灵敏度、高稳定性等优点，在光学传感领域具有广泛应用。
3. 光学成像领域：声光效应在光学成像领域可以实现图像的快速处理、增强等功能。
4. 激光雷达领域：声光效应在激光雷达系统中可用于距离测量、目标识别等。
五、声光效应的发展趋势1. 新型声光材料的研究：未来，新型声光材料的研究将更加注重材料性能的优化，以满足不同应用领域的需求。
声子热传导的原理
声子热传导的原理声子热传导声子热传导是指通过晶格中的声子（即晶格振动）来传导热能的现象。
在固体中，声子是晶体中存在的一种类似于粒子的元激发，通过声子的传递，热能可以在固体内部迅速传递，从而造成物质的热传导。
下面，我们将从浅入深地解释声子热传导的相关原理。
声子1.声子是晶格振动的量子化激发2.不同材料的晶格结构导致声子的能量频率不同声子的性质•声子具有动量和能量•声子遵循泡利不相容原理•不同材料的晶格结构导致声子在红外和可见光谱范围内的散布行为不同热传导与声子1.声子热传导是由声子的传递引起的2.热传导与声子的能量传递密切相关热传导的基本原理•热传导是热能通过物质内部的传递而导致的•物质的导热性能与热传导速率相关声子在热传导中的作用•声子是导致热传导的主要载体之一•声子在晶格中通过相互作用传递能量声子热传导的机制1.碟状散射-声子通过晶格缺陷、界面等碟状尺寸小于波长的散射中心进行散射2.弛豫散射-声子通过晶格中的非弹性相互作用散射3.反射-声子在晶格界面上被反射，反射率与界面的粗糙程度有关碟状散射•晶格缺陷、界面等碟状结构对高频率声子的散射效果较好•碟状散射是声子热传导中的主要散射机制之一弛豫散射•声子之间通过非弹性相互作用来散射能量•弛豫散射在低温下对声子热传导起主导作用减缓声子热传导的方法1.减少晶格缺陷和界面等碟状散射中心的存在2.降低晶格的弛豫时间3.利用界面的反射效应减少热能的传递控制晶格结构•增加材料的晶体纯度•减少晶体中的缺陷和杂质调控热导率•控制温度和压力来改变弛豫时间•采用纳米材料来增加界面反射效应结论声子热传导是固体中重要的能量传递方式之一。
通过理解声子的性质和声子热传导的机制，我们可以通过调控材料的晶体结构和热导率来减缓声子热传导的速率，从而提高材料的绝缘性能或减少热损耗。
这对于材料科学和热管理技术的发展具有重要的意义。
声子热传导的应用声子热传导的理解和控制对于实际应用具有重要意义。
aod原理
aod原理AOD原理。
AOD（Acousto-Optic Deflector）是一种利用声光效应实现光束偏转的器件。
它通过在晶体中引入声波，使光的折射率发生变化，从而实现对光束的控制和调制。
AOD原理主要涉及声光效应、声光晶体和光的偏转等方面，下面将对AOD原理进行详细介绍。
首先，我们来介绍一下声光效应。
声光效应是指当声波通过晶体时，会引起晶体中的折射率发生周期性的变化。
这种变化会导致光的传播速度和方向发生改变，从而实现对光的调制和偏转。
声光效应是AOD原理的基础，也是实现光束偏转的关键。
接下来，我们来讨论声光晶体。
声光晶体是一种具有声光效应的晶体材料，通常采用铌酸锂、硼酸钡等材料制成。
当声波通过声光晶体时，会在晶体中形成周期性的折射率变化，从而实现对光的调制和偏转。
声光晶体的选择和制备对AOD器件的性能和稳定性具有重要影响。
在AOD原理中，光的偏转是实现光束控制和调制的关键环节。
通过调节声波的频率和幅度，可以实现对光束的精确偏转和调制。
AOD器件通常采用光纤耦合的方式，将光束引入声光晶体中，然后通过声波的调节实现对光束的偏转和调制。
光的偏转是AOD原理的核心技术，也是AOD器件的关键功能之一。
总的来说，AOD原理是一种利用声光效应实现光束偏转的技术。
它通过声光晶体对光的折射率进行调制，从而实现对光束的精确控制和调节。
AOD原理在光通信、光学成像、激光加工等领域具有重要应用价值，是光学器件中的重要技术之一。
通过对AOD原理的深入理解和研究，可以进一步推动光学器件的发展和应用，为光学技术的进步做出贡献。
通过以上对AOD原理的介绍，我们对AOD器件的工作原理和关键技术有了更深入的了解。
声光效应、声光晶体和光的偏转是AOD原理的核心内容，也是AOD器件实现光束控制和调制的关键技术。
随着光学技术的不断发展和进步，AOD原理将会在更多的领域得到应用，为光学器件的发展和应用带来新的机遇和挑战。
声光调制器原理
声光调制器原理
声光调制器是一种将声音信号转换成光信号的装置，它的原理基于光弹效应与声光效应的相互作用。
光弹效应是指光与介质中的机械振动相互作用时，会发生能量转移和动量转移。
当声波通过一个光引导介质（如光纤）时，光波与声波之间会发生光弹相互作用。
声光效应是指当声波通过一个有非线性光学特性的介质时，声压波会导致介质中的折射率随声波而发生变化，从而改变光的传播特性。
这个效应可通过布尔杰·福尔茨效应来解释：当声
波通过一个非中心对称的介质时，介质中的电场会被声波压缩或展开，导致折射率的变化，进而改变光的传播速度。
利用光声效应，声光调制器可以将声音信号转换成光信号。
它通常由一个光源，一个声波发生器和一个光探测器组成。
当声波发生器产生声波时，声波通过光引导介质传播，声波的压力变化导致介质中的折射率发生变化，从而改变光的传播速度。
光探测器可以探测这个光信号的变化，并转化成相应的电信号，再经过放大和处理，最后可以得到与原始声音信号相似的电信号。
声光调制器具有快速响应、线性度好、带宽宽、无串音干扰等特点，广泛应用于声光传感器、通信系统、光纤通信等领域。
光声效应的原理及应用
光声效应的原理及应用1. 引言光声效应是一种非线性光学现象，描述了由于光与声波的相互作用而引起的声光效应。
通过将一个频率较高的激光束聚焦到介质中，然后通过声波的激励，在介质中引起声波密度的调制，进而导致光的散射。
在这种过程中，光子与声子之间的相互作用导致了能量的传递，从而产生了光声效应。
光声效应具有许多独特的特性，使其在各种应用中发挥了重要作用。
2. 光声效应的原理光声效应的原理可以简单地描述为光的吸收、声波激励和光散射的相互作用。
当一个脉冲激光束照射到介质中时，光子被吸收，并引起周围介质中的局部加热。
该加热导致了介质中的温度升高，并在介质中产生了一个声波。
这个声波在介质中传播，同时导致光的密度调制，从而产生了散射的光。
光声效应的原理可以用下面的步骤总结：•激光束的吸收•温度增加和声波的产生•光密度调制•光的散射3. 光声效应的应用光声效应具有许多重要的应用，以下列举了一些典型的应用领域：3.1 光声显微镜光声显微镜是一种采用光声效应的显微镜，它结合了光学和声学的特点，可以获取高分辨率的图像。
通过将样本置于显微镜中，然后使用激光束照射样本，光声显微镜可以获得活体细胞、组织和生物标记物的三维图像。
光声显微镜在生物医学研究、生物医学成像和临床诊断中有广泛的应用。
3.2 光声成像光声成像是利用光声效应来获取组织结构和功能信息的成像技术。
通过将样本置于光束的聚焦区域，并使用探测器来记录由光声效应产生的声波信号，可以重建样本的图像。
光声成像在医学成像、材料科学和纳米技术等领域具有广泛的应用。
3.3 光声光谱学光声光谱学是一种通过测量光声效应产生的声波信号强度来分析样品的化学成分和结构的技术。
在光声光谱学中，样本被照射并激发，通过分析由光声效应产生的声波信号的频率和幅度变化，可以确定样本的化学成分和结构。
光声光谱学在材料科学、环境监测和生物医学研究中具有重要的应用。
3.4 光声能量转换光声能量转换是一种将光的能量转换为声波能量的过程。
第五部分 热学性质(声子2)-总结与习题指导
gD
(ω )
=
⎧3
⎪ ⎨
2π
2
ω2 v3
,
ω
<
ωD
(12)
⎪⎩ 0
,ω > ωD
如图 5.3 所示.
5．2 模式密度的范·霍夫(Van Hove)奇点 (a)对只考虑最近邻互作用的一维单原子点阵，简正模式的色散关系为
ω(K
)
=
ωm
sin
1 2
Ka
式中ωm 是简正模式的最高频率. ωm = 2
C ，C 是力常数，M 是原子质量．证 M
波矢空间中的频率等值面ω ( K ) ≡ ω 是一球面，如图 5．1 所示. 该球面内所包围
的模式数为
N
(K
)
=
4π 3
K3
⎛ ⎜⎝
L 2π
⎞3 ⎟⎠
=
V 6π
2
K3
(4)
式中V = L3 是晶体体积．利用色散关系式(1)将式(4)化为对频率ω 的函数
N
(ω )
=
V 6π
2
ω3 v3
6
于是得到
gD
程(U 过程)．倒逆过程是如下形式的三声子碰撞过程：
K1 + K2 = K3 + G
(5.15)
其中 G 是不为零的倒易点阵矢量．由于倒逆过程可以大幅度地改变声子团的总 动量，因而可以建立起声子的热平衡分布，并决定在高温下的点阵热阻．
8 点阵的自由能和格林爱森(Grüneisen)常数 点阵自由能为
(ω )
=
1 V
⎛ ⎜ ⎝
dN (ω )
dω
⎞ ⎟ ⎠
=
1 2π 2
ω2 v3
热声制冷的基本原理
热声制冷的基本原理热声制冷是一种基于热声效应实现的制冷技术。
它利用气体在周期性膨胀和压缩过程中吸收和释放热量的特性，在低频声场中实现制冷效果。
热声制冷具有无需运动部件、低噪音、高可靠性和较高制冷效率等特点，因此在一些特定领域得到广泛应用。
热声制冷的基本原理如下：1. 热声效应：当声波通过气体介质传播时，将产生周期性的压缩和膨胀效应，使气体分子发生往复运动。
根据热力学第一定律，气体分子在压缩过程中会吸收热量，而在膨胀过程中则会释放热量。
2. 声波泵浦：热声制冷中的关键设备是声波泵浦，它通过声波作用将气体从低温端推向高温端。
声波泵浦通常由压电陶瓷和金属薄膜等材料构成，通过施加交变电压使压电陶瓷产生往复振动，从而产生声波传播到气体介质中。
3. 声波层流组织：通过精心设计声波泵浦的结构和气体流道，可以使气体介质形成一种特殊的层流组织，即声波层流组织。
声波层流组织是气体分子在声波泵浦作用下形成的一种周期性波动分布，它具有具有周期性的气体密度波动和相位波动。
4. 声波热流：在声波层流组织中，气体分子受到声波周期性膨胀和压缩的作用，从而产生周期性的热流。
当气体分子经历压缩过程时，吸收周围的热量；而在经历膨胀过程时，则释放热量。
这种热流的存在是热声制冷实现制冷效果的基础。
5. 声波声管：声波声管是热声制冷中用于传导声波的介质通道。
它通常由管道和薄膜等材料构成，通过精心设计的结构和材料选择，实现声波的最佳传播和吸收效果。
6. 制冷效果：当声波传播到声波声管中，声波层流组织会形成周期性的热流。
这种热流在声管两端的气体介质中产生周期性的热吸收和热释放。
通过适当设计的热交换器，将热力转移到外界，从而实现制冷效果。
热声制冷的制冷效果与声管结构、声波频率、工作气体等因素有关。
总之，热声制冷是利用声波作用使气体在周期性膨胀和压缩过程中吸收和释放热量的技术，通过适当的声波泵浦和声管设计，实现对制冷物体的制冷效果。
热声制冷具有无需运动部件、低噪音、高可靠性和较高制冷效率等特点，在一些领域有着广泛的应用前景。
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第4期阎永志:高新技术动态285 高新技术动态
声光器件中的热学效应
阎永志
声光器件是指利用光弹效应的一类光功能器件。
这种光弹效应是利用声波被施加到光学媒质上,从而改变光学媒质折射率来实现的。
在激光调制、偏转、可调谐滤光以及利用多谱勒效应的光外差干涉等许多方面,声光器件有着广阔的应用前景。
然而,在声光器件的设计、制作和应用中,作为一种有源器件所特有的热学问题往往为人们所忽视,由此而造成的损失可想而知。
例如,通过声光器件控制的激光束进行精细加工或光学测量时,声光器件中产生的热学效应将导致光束位置位移、自聚焦等。
在大功率激光作用下,声光器件中除产生增透膜和光学媒质破坏等光损伤外,还可能产生光学媒质的热感应双折射变化。
为了提高和改变国内声光器件的设计水平与应用效果,充分发挥其多功能作用,文章将简要介绍体波声光器件中的热学效应。
1 激光束的位移特性
高频电功率被施加到声光器件压电换能器上时,由于机电转换作用,压电元件将产生发热现象。
同时,伴随着超声波在光学媒质中传播,部分超声波被媒质所吸收。
上述热源的存在均可导致光学媒质中缓变性温度梯度的出现。
温度梯度的存在和发展与光学媒质的密度 、比热C、热传导率 有关,即热扩散率a = / C,同时还将涉及折射率n和折射率的温度变化(d n/d T)等光学参数。
国外学者对Ao T—40、AoT—5、合成石英、PbM oO4和T eO2等声光媒质施加高频(80M Hz)电功率0.5W,用斐索(Fizen)干涉计观察到透过激光光波面的畸变现象。
这种畸变来自于温度梯度变化T引起的光程长度变化S
S=L (d n/d T) T+
L n a T=
L T (d n/d T+na)(1)其中L为光在媒质中的光程。
式(1)中(d n/ d T+na)为光程长度温度系数,用几何长度规一化表示为d(n L)d T=S/T L。
用式(1)计各各种光学媒质的S值发现除Pb-Mo O4的S为负值外,其余均为正值。
这表明PbM oO4对于温度变化呈“凹透镜效应”(发散),而其他光学媒质则呈“凸透镜效应”(聚焦)。
有人采用入射He-Ne激光的PSD半导体器件对各种媒质的声光器件进行试验,分别测量对应于高频电功率的激光(一次衍射光)束位置的位移。
此位移定义为被测量点(到x-y平面原点的距离r=(x2+ y2)0.5)与声光器件间的角位移。
试验结果表明,PbMo O4的激光束位置的位移很大(0.4 mrad),而A07—40则很小(0.04mr ad),各种光学媒质的激光束位置位移值倾向为: A07—40—AOT—5<合成石英<T eO2 PbM oO4。
2 热感应双折射特性
声光媒质中温度梯度的存在将导致热感应双折射的产生,从而影响通过声光器件激光的偏振特性。
最近报道了一种采用光频移相器的光外差干涉计,可以用来测量通过声光器件激光的偏振态(相位差)。
声光晶体相位差!由
286压 电 与 声 光1997年
下式给出:
!=2∀ T L {d(n⊥-n )/d T+#⊥ n⊥-# n }/∃(2)式中∃为激光波长(633nm);n⊥、n 和#⊥、# 分别为检测激光垂直与水平分量的折射率与膨胀率。
由式(2)可知,合成石英的相位差几乎为零,其原因是d(n⊥-n )/d T+#⊥n⊥-# n = 0。
而对PbM oO4而言,n⊥=n0,n =n e,施加高频电功率1W时相位差最大(11r ad)。
3 激光束的形变特性
随着固体激光器高次谐波的产生和高功率化以及短波长激光的广泛应用,声光器件有可能产生光损伤。
当光损伤现象发生时,声光媒质两端面上的增透膜被破坏,光学媒质会因内部产生气泡而失效。
通常,增透膜由1～3层介电膜构成,为防止光损伤,应使其声光晶体表面研磨状态良好,并且在成膜工艺中避免杂质混入,否则会导致激光吸收。
另外,声光器件在粉尘环境中工作也容易产生损伤。
光学媒质因原子内电子受激光电场相互作用而被破坏。
氢原子中电子与激光相互作用的电场约为5×109V/cm。
合成石英在55kV/cm静电场作用下将被介质击穿而失效,此值对应的激光功率密度约为4MW/cm3。
声光晶体即使未发生光损伤,也会因生长晶体过程中坩埚物质或原材料不纯物的混入而产生激光吸收现象。
激光吸收发热会导致晶体折射率变动,使透过激光束形变。
假设声光晶体固有折射率为n(0),则
n=n(0)+(d n/d T) T(3) T∞#opt E2
式中E为激光电场;#opt为激光吸收系数。
当d n/d T为正值时,声光晶体局部区域的n比周边n(0)大,激光束径因“凸透镜效应”而变小;反之因“凹透镜效应”而变大。
如通过T eO2的激光束有聚焦现象,而通过PbM oO4的激光束有发散现象。
总之,由于声光晶体的激光吸收发热会导致透过光束形变,晶体熔解温度越低,折射率变化越显著,透过晶体的激光束形变越大。
因此,考虑到激光束形变, T OT—40,AOT—5的工作激光密度应控制在20W/cm3以下,T e2O、PbMo O4和合成石英的工作密度应控制在50W/cm3以下。
4 结语
声光器件中的热学效应普遍存在,关键问题是在器件设计和应用中,工作激光密度应严格控制在声光媒质各自的极限值以下,充分发挥声光器件的多功能作用。
在选择声光媒质时,传统观念十分重视性能指数。
然而,近来日本学者天野觉新提出一种M2 (d S/d T)的参数方案,把折射率的温度变化(d n/d T)和光程长度的温度变化(d S/d T)视为声光媒质特性的重要因子。
我国声光器件设计者不妨对上述两种方案进行探讨和实践。