聲光效應

超聲波在透明媒質中傳播時，媒質折射率發生空間周期性變化，使通過媒質的光線發生改變的現象，稱為聲光效應。當超聲頻率較低，且光束寬度比聲波波長小時，媒質折射率的空間變化會使光線發生偏轉或聚焦；當聲波頻率增高，且光束寬度比聲波波長大得多時，這種折射率的周期性變化起著光柵的作用，使人射光束髮生聲光衍射。衍射光的強度、頻率、方向等都隨著超聲波場而變化。其中衍射光偏轉角隨超聲波頻率的變化現象稱為聲光偏轉；衍射光強度隨超聲波功率而變化的現象稱為聲光調製。

對於高頻超聲波，且光束穿越聲場的作用距離較大的情形，類似於X射線在點陣上的衍射作用，光束通過聲場后，出射光束的一側出現較強的一級衍射光，稱為聲光布喇格衍射。

聲光衍射可以分為拉曼-拉斯（Raman-Nath）衍射和布拉格（Bra gg）衍射兩種情況。本實驗室主要研究鉬酸鉛晶體介質中的布拉格衍射現象。

布拉格方程：θB=sinθB=λfs/2nvs，其中θB為布拉格角，λ為激光波長，n為介質折射率，vs為超聲波在介質中的速率。由此知不同的頻率對應不同的偏轉角φ=2θB，所以可以通過改變超聲波頻率實現聲光偏轉。

布拉格一級衍射效率為：η1=I1/Ii=sin2((π/λ)(LM2Ps/2H)1/2)，其中Ps為超聲波功率，M2為聲光材料的品質因素，L、H分別表示換能器的長和寬。由此知當超聲功率改變時，η1也隨之改變，因而可實現聲光調製。

1922年，L.N.布里淵在理論上預言了聲光衍射；1932年P。J。W。德拜和F。W。席爾斯以及R。盧卡斯和P。比夸特分別觀察到了聲光衍射現象。從1966年到1976年期間，聲光衍射理論、新聲光材料及高性能聲光器件的設計和製造工藝都得到迅速發展。1970年，實現了聲表面波對導光波的聲光衍射，並研製成功表面（或薄膜）聲光器件。1976年後，隨著聲光技術的發展，聲光信號處理已成為光信號處理的一個分支。

①完成實驗儀器的連接。

②打開激光器、光強儀、示波器，調節光路，直 至在示波器上顯示一穩定完整的單峰波形。

③接著打開功率信號源，微調轉角平台，直至示波器上顯示出布拉格衍射的零、一級衍射圖像即一個良好的雙峰波形。

④最後測量聲光偏轉和聲光調製曲線；

⑤為了獲得理想波形，有時需要反覆調節激光器、轉角平台、光強儀等。

在嚴格執行實驗步驟的條件下，注意以下幾點：

①盡量避免地面、桌面、光具座等的震動；

②記錄數據的過程中，所有數據必須是在相同y軸倍率下測得；

③無飽和失真現象；無小毛刺；

④衍射波形不穩定時要等波形較穩定后再讀數；

⑤背景光、電壓也會對實驗現象造成一定影響，應盡量避免。

彈性形變所引起的介質折射率變化可以寫成:

式中n為介質的折射率，S為介質形變的程度，p為聲光（或彈光）係數（由材料性質決定）。聲光衍射的特性與聲光互作用長度L的大小有關。聲光衍射特徵長度的定義為

式中λ=λ/n為介質中光波波長（λ為真空中波長），為超聲波波長（v為聲速，f為頻率）。由上式可見，在高頻工作時，L很小。

要求的滿足條件，相當於平面光柵。此種衍射的特點是：

①對入射光方向無嚴格要求，一般取垂直入射；

②衍射光有許多級（如圖），第m級衍射光的方向和衍射效率為:

式中I為入射光光強；J是第m階貝塞爾函數。當V=1。84弧度時，J(V)達到最大，並有η=0。339=33。9%，高級衍射的效率更低。

要求滿足條件L≥2L相當於體光柵。此種衍射的特點是：

①只有當入射光方向滿足一定條件時，才有顯著的聲光衍射；

②衍射光或者只有+1級或者只有-1級（圖b），並分別稱為±1級布喇格衍射。布喇格衍射只出現一束衍射光，且η可高達100%(V=π時)，故在實用上一般都采布喇格衍射。

當超聲波傳過介質時，在其內產生周期性彈性形變，從而使介質的折射率產生周期性變化，相當於一個移動的相位光柵，稱為聲光效應。若同時有光傳過介質，光將被相位光柵所衍射，稱為聲光衍射。利用聲光衍射效應製成的器件，稱為聲光器件。聲光器件能快速有效地控制激光束的強度、方向和頻率，還可把電信號實時轉換為光信號。此外，聲光衍射還是探測材料聲學性質的主要手段。

應用聲光效應還可以製作聲光調製器件，製作聲光偏轉器件，聲光調Q開關，可調諧濾光器，在光信號處理和集成光通訊方面的應用。

在實際器件中，超聲波是由壓電換能器激發，聲光互作用介質和壓電換能器相結合即為聲光器件。聲光器件分為兩類。

①體聲光器件：聲波和光波均在介質體內傳播，聲光互作用介質和壓電換能器常用銦、錫或鋁等軟金屬材料，通過真空冷壓焊工藝粘合在一起。

②表面(或薄膜)聲光器件：聲波為沿介質表面傳播的聲表面波，光波則為在平面光波導中傳播的導光波。這時，聲光介質和壓電材料融為一體，襯底材料必須既具有聲光效應又具有壓電效應，常用的材料有鋰，而叉指換能器只需在材料表面蒸鍍叉指狀電極。

根據聲光調製原理製成的器件。改變Pa（實際是改變加在壓電換能器上的電信號功率）即可改變η或Id的值。當V較小時，sin(V/2)≈V/2，易得η≈(V/2)∝Pa，即可實現線性調製。

根據聲光偏轉原理製成的器件。偏轉角(即衍射光與入射光之間的夾角)α=θ+θ，改變加在壓電換能器上的電信號的頻率f，即可改變衍射光的方向。

由於超聲波是向前傳播的，聲光衍射時光將發生多普勒頻移。對於±1級布喇格衍射，ω=ω±Ω，式中ω、ω和Ω分別為入射光、衍射光和超聲波的圓頻率。改變電信號的頻率f=Ω/2π，即可改變衍射光的頻率。

例如入射光具有複雜的光譜成分(即包括許多不同波長的光)，當θ一定時，λf為常數。相對地改變電信號頻率f，波長不同的光將相應地分別被聲光衍射取出。