光电子技术(声光调制和声光偏转)
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光电子技术(电光调制的物理基础)
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9
前言——历史回顾6
1917年，Albert Einstein提出了受激辐射的概念，预示了激光的存在。 1960年，第一台激光器诞生。 1962年，第一台半导体激光器出现。 20世纪60年代， “光电线”出现了，这就是光学纤维（简称光纤）。 1966年，高锟等人预言了SiO2光纤作为通信传输介质的可行性； 1967年，人们首次进行了相干光通信实验，并于1974年又一次使用气体激光器在自由空间做 了相同的实验，但传输距离都很短，大气干扰。 1970年，是光纤通信取得重要进展的一年，美国康宁公司制造出了第一根低损耗光导纤维。 光纤的损耗降到了20dB/km，半导体激光器的寿命也到达了一千小时以上。 1976年，英国哈德福郡的赫清与斯蒂夫尼奇之间铺设了一条光缆，这个光纤系统能同时提供 1920条电话通路。 1976－1977年，光纤损耗降低到4dB/km，半导体激光器的寿命达到106小时，各种通信系统 出现； 1977年，美国在芝加哥市建立了一条光纤市话中继线路。光纤的抗拉强度大，能达到 7.2×108帕，它的弯曲直径为1.6毫米。 1979－1980年，光纤通信系统投入市话网的局间线路使用，第一代光纤通信系统投入使用。
3
4
前言——历史回顾2
公元前200年左右，古希腊的Poybios发明了一种传输
系统，不仅可以传递一些固定信息，还可以传递字母。 每分钟大约传输8个字母。而现代通信系统的传输速率 为每秒几个G（109）字节。
1 2 3 4
1 2 α δ β ε γ ω δ η
3 4 λ π μ ρ ν σ ξ τ
5
前言——历史回顾3
17世纪初的一天，荷兰密特尔堡镇一家眼
光电子技术第8章
1 ~ i n Cn Cn e (an ibn ) 2
~ 1 T Cn 2T I (t ) exp(it )dt T 2
I0 , t 2 I (t ) 0, t T 2 2
a0 1 T 1 2T I (t )dt 2 I 0 dt I 0 2 T 2 T 2 T
一、调制的基本概念
1．概念：使载波的某一参量（幅度、频率、相位）按欲 传输信号规律变化的过程。 2．优点：由于既可携带信息，又与背景辐射特征不同，
第八章 光辐射的调制
所以： ①便于抑制背景光的干扰； ②抑制各环节的固有噪声； ③抑制外部磁场的干扰。 ∴调制的光电系统在信号传输和探测过程中，具有更高的探 测能力。 3．分类：模拟、脉冲、数字调制 ㈠模拟调制： ①原理：信息信号连续改变载波的强度、频率、相位或偏振， 因此信息信号幅度与参数的幅度存在一一对应关系。 ②分类及特点：
第八章 光辐射的调制
△功率利用率高： 从信号的频谱图分析来看： 调幅系统的大部分能量集中在载频上，边频能量小。 调频系统，当 m f 1 时，能量主要集中在边频分量上，即能 量利用率高，调制效率高。 门限效应问题 2.非周期信号的频谱 ⑴单脉冲信号的频谱：
sin( / 2) I ( j ) I 0 / 2
二、调制信号的频谱
目的：利用信号频谱和噪声频谱的差异，抑制噪声，提高检 测质量，有利于电路处理。
第八章 光辐射的调制
复习以下内容： 1.周期信号的频谱： ⑴任何复杂的周期信号 I (t ) ，都可以表示为直流分量与无数 谐波分量之和，即任何周期信号都是由直流和无数不同频率 的正弦信号构成的。 n=1:基波，其基频为： 2 / T n>2:高次谐波 n=2:二次谐波 n=3:三次谐波 ⑵已知 I (t ) 求频谱叫频谱分析 特点：谱可以连续，也可以分立。 ⑶几种常见周期信号的频谱：
~ 1 T Cn 2T I (t ) exp(it )dt T 2
I0 , t 2 I (t ) 0, t T 2 2
a0 1 T 1 2T I (t )dt 2 I 0 dt I 0 2 T 2 T 2 T
一、调制的基本概念
1．概念：使载波的某一参量（幅度、频率、相位）按欲 传输信号规律变化的过程。 2．优点：由于既可携带信息，又与背景辐射特征不同，
第八章 光辐射的调制
所以： ①便于抑制背景光的干扰； ②抑制各环节的固有噪声； ③抑制外部磁场的干扰。 ∴调制的光电系统在信号传输和探测过程中，具有更高的探 测能力。 3．分类：模拟、脉冲、数字调制 ㈠模拟调制： ①原理：信息信号连续改变载波的强度、频率、相位或偏振， 因此信息信号幅度与参数的幅度存在一一对应关系。 ②分类及特点：
第八章 光辐射的调制
△功率利用率高： 从信号的频谱图分析来看： 调幅系统的大部分能量集中在载频上，边频能量小。 调频系统，当 m f 1 时，能量主要集中在边频分量上，即能 量利用率高，调制效率高。 门限效应问题 2.非周期信号的频谱 ⑴单脉冲信号的频谱：
sin( / 2) I ( j ) I 0 / 2
二、调制信号的频谱
目的：利用信号频谱和噪声频谱的差异，抑制噪声，提高检 测质量，有利于电路处理。
第八章 光辐射的调制
复习以下内容： 1.周期信号的频谱： ⑴任何复杂的周期信号 I (t ) ，都可以表示为直流分量与无数 谐波分量之和，即任何周期信号都是由直流和无数不同频率 的正弦信号构成的。 n=1:基波，其基频为： 2 / T n>2:高次谐波 n=2:二次谐波 n=3:三次谐波 ⑵已知 I (t ) 求频谱叫频谱分析 特点：谱可以连续，也可以分立。 ⑶几种常见周期信号的频谱：
声光偏转器和声光调制器的基本原理
声光偏转器和声光调制器的基本原理下载提示：该文档是本店铺精心编制而成的，希望大家下载后，能够帮助大家解决实际问题。
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声光调制的原理及应用
在军事上，它也有广泛应用。例如一种新式探测器：雷达波谱分析器。空军飞行员可以利用它分析射到飞机上的雷达信号来判断飞机是否被敌方跟踪。外来的雷达信号与本机内半导体激光器产生的振荡信号经混频、放大后，驱动声光调制器，产生超声波，当外来信号变化时，超声波长也变化，衍射光的角度也变化，反映在二极管列阵上，我们可以很容易的识别敌方雷达信号。
介质中折射率的变化如图1所示，声波在一个周期T内，介质将两次出现疏密层，且在波节处密度保持不变，因而折射率每隔半个周期（T/2）在波腹处变化一次，即由极大值变为极小值，或由极小值变为极大值，在两次变化的某一瞬间介质各部分折射率相同，相当于一个不受超声场作用的均匀介质。 若超声频率（即加在调制器上的信号频率）为fs时，则声光栅出现或消失的次数为2fs，因而调制光的频率为2fs（为超声频率的二倍）。
什么是声光调制
声波是一种纵向机械应力波（弹性波）。若把这种应力波作用到声光介质中时会引起介质密度呈疏密周期性变化，使介质的折射率也发生相应的周期性变化，这样声光介质在超声场的作用下，就变成了一个等效的相位光栅，如果激光作用在该光栅上，就会产生衍射。衍射光的强度、频率和方向将随超声场而变化。所谓“声光调制器”就是利用这一原理而实现光束调制或偏转的。
图4
当光束以入射角θi射入声光介质中时，由镜面产生反射，而衍射光干涉，极大值应满足条件： Δ=mλ(m=0、±1、±2……）。 2λssinθB＝λ 式中θB称为布喇格角。 只有入射角θi满足上式的入射光波，才能在θi＝θd方向上得到衍射极大值。这个式子通常称为布喇格衍射公式。 可以证明，当入射光强为Ii时。布喇格衍射的零级与1级的衍射光强可分别表示为： I0=Iicos2v/2 I1=Iisin2v/2 式中 v=2π/λΔnL 是光波穿过厚度为L的超声场所产生的相位延迟。
光电子技术课件：第五章 光调制技术3
• 激光的调制分为：
– 内调制 – 外调制
5.1 光信息系统的信号加载与控制
• 激光的内调制
– 将传输的输入信号直接加载到激光器上，改变激光 器的出射特性进行的光波调制。
• 调制后的激光输出光束就包含了带传输的信息。例如半导 体激光器中直接将调制信号控制激光器的输入电流，从而 使其发出的光强度随要输的信号变化而变化，实现了信号 调制。
5.1 光信息系统的信号加载与控制
• 如何将光波带上要传输的信息呢？ ➢光调制
– 将激光作为信息的载体，通过改变激光的振 幅、波长（频率）、相位、偏振参数、方向 等各参量，使光波携带信息的过程，
称为光的调制。
5.1 光信息系统的信号加载与控制
• 与电子学中的载流子如电子、空穴等带 电粒子不同，光波（光子）是中性的， 不能够用外界电场直接的调制，要通过 改变发光的结构或者用外电场改变材料 的光学性质来间接地实现对光波的调制。Fra bibliotek4-49
5.2 光在晶体中的传播
9个元素的二阶介电张量可简化为只含三个元素的对角张量
简写为 D [ ]E
x 0
[
]
0
y
0
rx 0
0
0
0
ry
0 0
0
n0x2
0
n
2 y
0
0
0 0 z
0 0 rz
0 0 nz2
0[ r ] 0[n2 ]
其中，
ij 0 1 ij
– 烽火台； – 航标灯的信号等。
• 现代光通信技术将光波的信息载体功能发 挥到极致。
• 采用激光器作为光源，光波导作为传输 介质有如下的好处：
– 光频率高，能够传输的信息容量大； – 激光的相干性好，易于信息的加载； – 方向性好，可直接用于空间传输； – 光波导的损耗小，传输不受环境的影响； – 光信息传输的保密性好。
– 内调制 – 外调制
5.1 光信息系统的信号加载与控制
• 激光的内调制
– 将传输的输入信号直接加载到激光器上，改变激光 器的出射特性进行的光波调制。
• 调制后的激光输出光束就包含了带传输的信息。例如半导 体激光器中直接将调制信号控制激光器的输入电流，从而 使其发出的光强度随要输的信号变化而变化，实现了信号 调制。
5.1 光信息系统的信号加载与控制
• 如何将光波带上要传输的信息呢？ ➢光调制
– 将激光作为信息的载体，通过改变激光的振 幅、波长（频率）、相位、偏振参数、方向 等各参量，使光波携带信息的过程，
称为光的调制。
5.1 光信息系统的信号加载与控制
• 与电子学中的载流子如电子、空穴等带 电粒子不同，光波（光子）是中性的， 不能够用外界电场直接的调制，要通过 改变发光的结构或者用外电场改变材料 的光学性质来间接地实现对光波的调制。Fra bibliotek4-49
5.2 光在晶体中的传播
9个元素的二阶介电张量可简化为只含三个元素的对角张量
简写为 D [ ]E
x 0
[
]
0
y
0
rx 0
0
0
0
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0 0
0
n0x2
0
n
2 y
0
0
0 0 z
0 0 rz
0 0 nz2
0[ r ] 0[n2 ]
其中，
ij 0 1 ij
– 烽火台； – 航标灯的信号等。
• 现代光通信技术将光波的信息载体功能发 挥到极致。
• 采用激光器作为光源，光波导作为传输 介质有如下的好处：
– 光频率高，能够传输的信息容量大； – 激光的相干性好，易于信息的加载； – 方向性好，可直接用于空间传输； – 光波导的损耗小，传输不受环境的影响； – 光信息传输的保密性好。
声光调制
所需的声功率来自PsHLIs
2
cos2 B
2M 2
H L
20
可见，声光材料的品质因数M2越大，欲获 得100%的衍射效率所需要的声功率越小。而
且电声换能器的截面应做得长（L大）而窄
（H小）。
2s
f0f
M1
2 2 3 cosB
Ps H
f0：声中心频率，M1
8
入射光
吸声器（或反射器） 声光介质
电声换能器 驱动电源
原理结构
9
1、拉曼-纳斯型声光调制器
调制器的工作原理如图1(a) 所示，工作声源 频率低于 10MHz。只限于低频工作，带宽较小。
入射光
衍射光 调制信号
图1 拉曼-纳斯型声光调制器
10
2、布喇格型声光调制器
布喇格型声光调制器工作原理如图2所示。
3
各级衍射的方位角为（最大值的位置） ：
s in m
m ks ki
m s
(m 0, 1, 2,)
各级衍射光的强度为：
Im
J
2 m
(v),
2 v (n)ki L nL
4
衍射效率为：
s
I1 Ii
s
in
2
1 2
( 2
nL)
14
允许的声频带宽与布喇格角的可能变化量 之间的关系为 ：
f s
2nvs
c os B
B
15
设入射光束的发散角为i，声波束的发散 角为，对于衍射受限制的波束，这些波束发
散角与波长和束宽的关系分别近似为
i
2
cos2 B
2M 2
H L
20
可见，声光材料的品质因数M2越大，欲获 得100%的衍射效率所需要的声功率越小。而
且电声换能器的截面应做得长（L大）而窄
（H小）。
2s
f0f
M1
2 2 3 cosB
Ps H
f0：声中心频率，M1
8
入射光
吸声器（或反射器） 声光介质
电声换能器 驱动电源
原理结构
9
1、拉曼-纳斯型声光调制器
调制器的工作原理如图1(a) 所示，工作声源 频率低于 10MHz。只限于低频工作，带宽较小。
入射光
衍射光 调制信号
图1 拉曼-纳斯型声光调制器
10
2、布喇格型声光调制器
布喇格型声光调制器工作原理如图2所示。
3
各级衍射的方位角为（最大值的位置） ：
s in m
m ks ki
m s
(m 0, 1, 2,)
各级衍射光的强度为：
Im
J
2 m
(v),
2 v (n)ki L nL
4
衍射效率为：
s
I1 Ii
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2
1 2
( 2
nL)
14
允许的声频带宽与布喇格角的可能变化量 之间的关系为 ：
f s
2nvs
c os B
B
15
设入射光束的发散角为i，声波束的发散 角为，对于衍射受限制的波束，这些波束发
散角与波长和束宽的关系分别近似为
i
光电子技术
2谈谈对光电子技术的理解：光电子技术主要研究物质中的电子相互作用及能量相互转换的技术，以光源激光化，传输波导化，手段电子化，现在电子学中的理论模式和电子学处理方法光学化为特征，是一门新的综合性交叉学科。
3.光电子技术应用实例：光纤通信、光盘存储、光电显示器、光纤传感器等。
4.光的基本属性是光具有波粒二象性，光波动性的体现是光具有干涉、衍射、偏振等。
5.两束光相干的条件是频率相同、振幅方向相同、相位差恒定。
最典型的干涉装置有杨氏双缝干涉、迈克耳孙干涉仪。
两束光相长干涉的条件是δ=mλ(m = 0,±1,±2,LL)6.最早的电光源是碳弧光灯，最早的激光器是1960年美国梅曼制作的红宝石激光器。
7光在各向同性介质中传播时，复极化率的实部表示色散和频率的关系，虚部表示物质吸收和频率的关系。
8波长λ的光经过孔径D的小孔在焦距f 处的衍射爱里斑半径为1.22 fλ/D 。
9光调制技术——光信息系统的信号加载与控制10光有源器件是光通信系统中将电信号转换成光信号或将光信号转换成电信号的关键器件，是光传输系统的心脏。
光无源器件是指没有光电转换的器件，即只有光-光的转换。
11.光谱线展宽,均匀展宽:原子自发辐射产生的谱线并不是单一频率的，而是占据一定的频谱宽度，若果这种频谱展宽是由于手激态的有限寿命引起的，则称之为均匀展宽。
特点：引起机制对于每一粒子而言都相同。
任一粒子对谱线展宽的贡献一样，每个发光粒子都以洛伦兹线型发射.非均匀展宽:在物理现象中，个别原子是可以区分的，每一个原子的跃迁频率ν都有少量差别，从而导致自发发射频谱反映出各个跃迁频率增宽，称之为。
特点：粒子体系中粒子的发光只对谱线内与其中心频率相对应的部分有贡献12 激光器的基本结构包括：激光工作物质、泵浦源和光学调振腔。
13激光产生的充分条件是阈值条件和增益饱和效应，必要条件是粒子束反转分布和减少振荡模式数。
14光波导:能使光低损耗传输的通道，它将光限制在一定路径中向前传播，减少了光的耗散，便于光的调制、耦合等，为光学系统的固体化、小型化、集成化打下了基础。
光电子技术(声光调制和声光偏转)
声光偏转器的性能指标及评价方法
性能指标
声光偏转器的主要性能指标包括衍射效率、偏转角度、工作频率范围、响应时间等。其中，衍射效率 反映了声光相互作用的强弱，偏转角度决定了光波偏转的程度，工作频率范围和响应时间则关系到器 件的适用性和动态性能。
评价方法
通常采用实验测量的方法对声光偏转器的性能指标进行评价。例如，可以通过测量不同频率和声强下 的衍射效率和偏转角度，绘制出器件的频率响应曲线和偏转特性曲线，以全面评估器件的性能。
THANKS FOR WATCHING
感谢您的观看
声光偏转是利用声波在介质中传播时 引起的折射率梯度，使光束发生偏转 的现象。声光偏转器通常由压电晶体 和棱镜组成，当压电晶体受到声波作 用时，其折射率会发生变化，使得通 过棱镜的光束发生偏转。
声光调制和声光偏转 的应用
声光调制和声光偏转在光通信、激光 雷达、光学测量等领域具有广泛的应 用。例如，在光通信中，声光调制器 可用于实现高速光信号的调制和解调 ；在激光雷达中，声光偏转器可用于 实现光束的快速扫描和定位；在光学 测量中，声光调制和声光偏转可用于 实现高精度的光学干涉和衍射测量。
02 声光调制技术
声光调制器的基本结构和工作原理
基本结构
声光调制器主要由声光介质、压电换能器、吸声（或反射）装置及驱动电源等组 成。
工作原理
声光调制器是利用声光效应将信息加载于光频载波上的一种物理器件。当特定频 率的声波作用于声光介质时，会引起介质折射率的变化，从而使通过介质的光波 参数（如振幅、频率、相位等）随之发生变化，实现对光波的调制。
于制作光电探测器。
非线性光学材料
具有非线性光学效应的材料， 如磷酸二氢钾、铌酸锂等，用 于制作光调制器和光开关等。
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在我国北方干燥的冬季，如果把超声波通入水罐中，剧烈的 振动会使罐中的水破碎成许多小雾滴，再用小风扇把雾滴吹入 室内，就可以增加室内空气的湿度．这就是超声波加湿器的原 理。
对于咽喉炎、气管炎等疾病，药力很难达到患病的部位．利 用加湿器的原理，把药液雾化，让病人吸入，能够增进疗 效．利用超声波的巨大能量还可以把人体内的结石击碎．
弹光效应：由于外力作用而引起介质光学性 质变化的现象。
声波作为一种弹性波，在晶体中传播时，会 造成介质密度的疏密变化，使得介质的折射率分 布也随之改变。
声光效应：由于声波作用而引起光学性质变 化的现象，声光效应是弹光效应的一种。
声光效应与电光效应
相似之处：
晶体在受到外部作用后，才出现光学性质的变 化，具体表现为折射率的分布发生改变。
1、声光衍射的定性描述：在晶体中传播的超声波， 会造成晶体的局部压缩或伸长，这种由于机械应 力引起的弹光效应使晶体的介电常量发生变化， 因而折射率也发生变化。 2、在介质中形成了周期性的有不同折射率的间隔 层，这些层以声速运动，层间保持声波波长一半
（λs/2）的距离，当光通过这种分层结构时，就
发生衍射，引起光强度、频率和方向随超声场的 变化。
▪ 声波的作用可归结为形成以声速运动的、 周期等于声波周期的相位光栅，因而这种 衍射遵循普通相位光栅的衍射定律。
4.6 声光调制的物理基础
۩ 4.6.1超声波的概念 ۩ 4.6.2声光效应 ۩ 4.6.3拉曼——奈斯衍射 ۩ 4.6.4布拉格衍射
4.6 声光调制的物理基础
۩ 4.6.1超声波的概念 ۩ 4.6.2声光效应 ۩ 4.6.3拉曼——奈斯衍射 ۩ 4.6.4布拉格衍射 ۩ 4.6.5声光调制 ۩ 4.6.6声光偏转
4.6.1超声波的概念
▪ 世界因为有了声音而充满欢乐。我们平常听到 的各种声音只是声音世界中的一部分，范围在20 赫兹至20000赫兹之间，而20000赫兹以上的声 音是超声，尽管听不到，却很有意义。
声光衍射
根据光波波长、声波波长，以及相互作用 区域的长度等因素，将声光衍射分为： ➢拉曼——奈斯衍射 ➢布拉格衍射
4.6.3拉曼——奈斯衍射
1、在低声频和声波束的宽度（即声光相互作用）
L不大的情况下且k⊥ks时可以将声光介质看成一
块普通的位相光栅。 2、光束在介质中传播时，由于折射率随介质密度 的变化，使得出射光波的波前已不再是平面波的 波面，而是波浪状曲面。波面上的各点作为次波 源，发出子波在空间相互干涉而形成多级衍射条 纹。这种类似于普通面光栅的作用而产生的声光 衍射，就称为拉曼——奈斯衍射。
在探测到敌方发射的鱼雷后，这些声波转换器 可在瞬间发射出高能脉冲声波，其强度足以摧毁 或者提前引爆被锁定的鱼雷。由于是在水下，声 波拦截鱼雷时的速度可达1.5千米/秒。
超声波的应用2
超声不仅是信息载体，还是一种能量形式，在传播时可以进 行能量的转换。超声波加湿器就是一个很简单的例子。它的关 键部件是压电陶瓷，通电之后，把高频电转化为超声，使很强 的超声波从下方发出。在水面的局部小区域内，声能转化为机 械能，引发起强大的机械力，把水“打碎”，并喷射出来，形 成水雾，加湿空气。
▪ 模仿蝙蝠使用超声的道理，人类发明了声纳这种装在船只及潜艇 上的装置。 靠超声在水中传播时碰到物体产生回波，来测定距离， 确定位置。能发现对手，或保证航行安全。
合成孔径声纳可以用于海底测量，水下 考古和搜寻水下失落物体等，尤其可以进 行高分辨海底测绘，对数字地球研究具有 重要的意义。
可拦截鱼雷的脉冲声波发射系统
超声波的应用3
超声清洗。把表面生锈和沾有脏污的物体浸泡在水一类的清洗液 中，送入一定量的超声，使污物从工件表面脱落下来。金银珠宝配 带久了，失去光泽，变得难以入目，化学清洗会损伤饰物表面，而 超声清洗可以整旧如新取得理想的效果。
超声悬浮是借助超声产生的强大声场将颗粒或液滴托起，在密 闭装置内进行实验，保持超纯度，超精度。超声马达是利用压电陶 瓷把电信号转化成超声振动，产生一定的力，带动马达工作，平稳、 速度可调、不怕磁干扰，小的可用于相机的变焦镜头，大的甚至可 以代替现有的汽车马达。超声焊接是利用超声的高频振动，把两个 不同的物件连接在一起，因为它基本不发热、不变形，在微电子工 业中用来焊接集成电路芯片，尤其是它能焊接某些特殊的稀有金属， 在核工业、空间技术等领域可以开发更多的用途。
区别：
电光效应中，外加电场的加入是起因。 声光效应中，造成折射率变化的因素是应变或 应力。
4.6 声光调制的物理基础
۩ 4.6.1超声波的概念 ۩ 4.6.2声光效应 ۩ 4.6.3拉曼——奈斯衍射 ۩ 4.6.4布拉格衍射 ۩ 4.6.5声光调制 ۩ 4.6.6声光偏转
4.6.3拉曼——奈斯衍射
▪ 超声波有两个特点，一个是能量大，一个是沿 直线传播。它的应用就是按照这两个特点展开的。
▪ 理论研究表明，在振幅相同的情况下，一个物 体振动的能量跟振动频率的二次方成正比．超声 波在介质中传播时，介质质点振动的频率很高， 因而能量很大。
超声波的应用1
▪ 蝙蝠非常善于使用超声。它们用喉头发出20千赫至120千赫之间 的超声啾鸣，用耳朵接收障碍物的反射回波，以这个回波来判断猎物 的距离、方位、形状和速度。那份灵巧和精确让人瞠目。
4.6.3拉曼——奈斯衍射
声波阵面 λs 入射光
λ 度 方向由公式
s in m
m
s
m 0,1,2,
式中θm为第m级衍射极值的偏角。
4.6.3拉曼——奈斯衍射
▪ 拉曼—奈斯衍射时，入射光在相互作用区 内部的传播方向仍保持直线方向，而与折 射率变化有关的介质的光学不均匀性只对 通过声柱的光的相位发生影响。
超声波的应用4
4.6 声光调制的物理基础
۩ 4.6.1超声波的概念 ۩ 4.6.2声光效应 ۩ 4.6.3拉曼——奈斯衍射 ۩ 4.6.4布拉格衍射 ۩ 4.6.5声光调制 ۩ 4.6.6声光偏转
4.6.2 声光效应
晶体光学性质的变化，不仅可以通过外加电 场的作用实现，外力的作用也能够造成折射率的 改变。
对于咽喉炎、气管炎等疾病，药力很难达到患病的部位．利 用加湿器的原理，把药液雾化，让病人吸入，能够增进疗 效．利用超声波的巨大能量还可以把人体内的结石击碎．
弹光效应：由于外力作用而引起介质光学性 质变化的现象。
声波作为一种弹性波，在晶体中传播时，会 造成介质密度的疏密变化，使得介质的折射率分 布也随之改变。
声光效应：由于声波作用而引起光学性质变 化的现象，声光效应是弹光效应的一种。
声光效应与电光效应
相似之处：
晶体在受到外部作用后，才出现光学性质的变 化，具体表现为折射率的分布发生改变。
1、声光衍射的定性描述：在晶体中传播的超声波， 会造成晶体的局部压缩或伸长，这种由于机械应 力引起的弹光效应使晶体的介电常量发生变化， 因而折射率也发生变化。 2、在介质中形成了周期性的有不同折射率的间隔 层，这些层以声速运动，层间保持声波波长一半
（λs/2）的距离，当光通过这种分层结构时，就
发生衍射，引起光强度、频率和方向随超声场的 变化。
▪ 声波的作用可归结为形成以声速运动的、 周期等于声波周期的相位光栅，因而这种 衍射遵循普通相位光栅的衍射定律。
4.6 声光调制的物理基础
۩ 4.6.1超声波的概念 ۩ 4.6.2声光效应 ۩ 4.6.3拉曼——奈斯衍射 ۩ 4.6.4布拉格衍射
4.6 声光调制的物理基础
۩ 4.6.1超声波的概念 ۩ 4.6.2声光效应 ۩ 4.6.3拉曼——奈斯衍射 ۩ 4.6.4布拉格衍射 ۩ 4.6.5声光调制 ۩ 4.6.6声光偏转
4.6.1超声波的概念
▪ 世界因为有了声音而充满欢乐。我们平常听到 的各种声音只是声音世界中的一部分，范围在20 赫兹至20000赫兹之间，而20000赫兹以上的声 音是超声，尽管听不到，却很有意义。
声光衍射
根据光波波长、声波波长，以及相互作用 区域的长度等因素，将声光衍射分为： ➢拉曼——奈斯衍射 ➢布拉格衍射
4.6.3拉曼——奈斯衍射
1、在低声频和声波束的宽度（即声光相互作用）
L不大的情况下且k⊥ks时可以将声光介质看成一
块普通的位相光栅。 2、光束在介质中传播时，由于折射率随介质密度 的变化，使得出射光波的波前已不再是平面波的 波面，而是波浪状曲面。波面上的各点作为次波 源，发出子波在空间相互干涉而形成多级衍射条 纹。这种类似于普通面光栅的作用而产生的声光 衍射，就称为拉曼——奈斯衍射。
在探测到敌方发射的鱼雷后，这些声波转换器 可在瞬间发射出高能脉冲声波，其强度足以摧毁 或者提前引爆被锁定的鱼雷。由于是在水下，声 波拦截鱼雷时的速度可达1.5千米/秒。
超声波的应用2
超声不仅是信息载体，还是一种能量形式，在传播时可以进 行能量的转换。超声波加湿器就是一个很简单的例子。它的关 键部件是压电陶瓷，通电之后，把高频电转化为超声，使很强 的超声波从下方发出。在水面的局部小区域内，声能转化为机 械能，引发起强大的机械力，把水“打碎”，并喷射出来，形 成水雾，加湿空气。
▪ 模仿蝙蝠使用超声的道理，人类发明了声纳这种装在船只及潜艇 上的装置。 靠超声在水中传播时碰到物体产生回波，来测定距离， 确定位置。能发现对手，或保证航行安全。
合成孔径声纳可以用于海底测量，水下 考古和搜寻水下失落物体等，尤其可以进 行高分辨海底测绘，对数字地球研究具有 重要的意义。
可拦截鱼雷的脉冲声波发射系统
超声波的应用3
超声清洗。把表面生锈和沾有脏污的物体浸泡在水一类的清洗液 中，送入一定量的超声，使污物从工件表面脱落下来。金银珠宝配 带久了，失去光泽，变得难以入目，化学清洗会损伤饰物表面，而 超声清洗可以整旧如新取得理想的效果。
超声悬浮是借助超声产生的强大声场将颗粒或液滴托起，在密 闭装置内进行实验，保持超纯度，超精度。超声马达是利用压电陶 瓷把电信号转化成超声振动，产生一定的力，带动马达工作，平稳、 速度可调、不怕磁干扰，小的可用于相机的变焦镜头，大的甚至可 以代替现有的汽车马达。超声焊接是利用超声的高频振动，把两个 不同的物件连接在一起，因为它基本不发热、不变形，在微电子工 业中用来焊接集成电路芯片，尤其是它能焊接某些特殊的稀有金属， 在核工业、空间技术等领域可以开发更多的用途。
区别：
电光效应中，外加电场的加入是起因。 声光效应中，造成折射率变化的因素是应变或 应力。
4.6 声光调制的物理基础
۩ 4.6.1超声波的概念 ۩ 4.6.2声光效应 ۩ 4.6.3拉曼——奈斯衍射 ۩ 4.6.4布拉格衍射 ۩ 4.6.5声光调制 ۩ 4.6.6声光偏转
4.6.3拉曼——奈斯衍射
▪ 超声波有两个特点，一个是能量大，一个是沿 直线传播。它的应用就是按照这两个特点展开的。
▪ 理论研究表明，在振幅相同的情况下，一个物 体振动的能量跟振动频率的二次方成正比．超声 波在介质中传播时，介质质点振动的频率很高， 因而能量很大。
超声波的应用1
▪ 蝙蝠非常善于使用超声。它们用喉头发出20千赫至120千赫之间 的超声啾鸣，用耳朵接收障碍物的反射回波，以这个回波来判断猎物 的距离、方位、形状和速度。那份灵巧和精确让人瞠目。
4.6.3拉曼——奈斯衍射
声波阵面 λs 入射光
λ 度 方向由公式
s in m
m
s
m 0,1,2,
式中θm为第m级衍射极值的偏角。
4.6.3拉曼——奈斯衍射
▪ 拉曼—奈斯衍射时，入射光在相互作用区 内部的传播方向仍保持直线方向，而与折 射率变化有关的介质的光学不均匀性只对 通过声柱的光的相位发生影响。
超声波的应用4
4.6 声光调制的物理基础
۩ 4.6.1超声波的概念 ۩ 4.6.2声光效应 ۩ 4.6.3拉曼——奈斯衍射 ۩ 4.6.4布拉格衍射 ۩ 4.6.5声光调制 ۩ 4.6.6声光偏转
4.6.2 声光效应
晶体光学性质的变化，不仅可以通过外加电 场的作用实现，外力的作用也能够造成折射率的 改变。