聲光效應(yīng)實驗原理及其應(yīng)用研究

張博涵

（中國人民大學(xué)附屬中學(xué)，北京 100080）

在上個世紀(jì)二十年代，由著名的光學(xué)領(lǐng)域研究專家L.N.布里淵從理論上對聲光衍射進(jìn)行了預(yù)測。之后，在二十世紀(jì)30年代，R.盧卡斯和P.比夸特等人先后看到了聲光衍射現(xiàn)象，從而見證了聲光衍射理論的可行性。在二十世紀(jì)六七十年代，關(guān)于聲光材料和聲光衍射的理論相繼得到了快速發(fā)展。從1976年之后，聲光技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展，聲光信號的處理成為了一個研究熱點。

1 聲光效應(yīng)的實驗原理分析

眾所周知，當(dāng)超聲波經(jīng)過介質(zhì)的時候，介質(zhì)會發(fā)生彈性的變形，這種變形不僅會隨時間改變，而且會隨空間發(fā)生變化，并且這種變化都是周期性的。最終，介質(zhì)出現(xiàn)疏密相間的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象跟相位光柵非常類似。從本質(zhì)上來講，聲光效應(yīng)就是對光通過聲波擾動的介質(zhì)時發(fā)生散射或者衍射的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象出現(xiàn)的必須要有這幾個前提條件：光、聲波、介質(zhì)。在這里，還需要闡述下彈光效應(yīng)的含義，所謂的彈光效應(yīng)，就是在垂直于光波傳播方向施加一個力，那么對于沿該力的方向偏振的光而言，介電常數(shù)會增加。彈光效應(yīng)在很多光線傳感器中進(jìn)行深入而廣泛的應(yīng)用。

2 聲光效應(yīng)實驗原理的應(yīng)用

2.1 聲光效應(yīng)在聲光調(diào)制中的應(yīng)用

所謂的聲光調(diào)制，就是借助聲光效應(yīng)的原理進(jìn)行應(yīng)用的一個過程，在這個物理過程中，必須把信息加載在光頻載波上。在聲光調(diào)制的應(yīng)用中，需要用到電-聲換能器，這個器件的主要作用是實現(xiàn)電信號向超聲場的轉(zhuǎn)化。在光波經(jīng)過聲光介質(zhì)的前提下，光載波被調(diào)制為具有較強強度的調(diào)制波。如圖1所示為聲光調(diào)制原理圖目前，聲光調(diào)制應(yīng)用較為廣泛的兩種調(diào)制器分別是分拉曼—納斯型聲光調(diào)制器和布喇格聲光調(diào)制器。前者的主要特征是只能在低頻（通常頻率小于10MHz）環(huán)境下工作。后者的主要特征是調(diào)制帶寬較寬，衍射的效率也高。

2.2 聲光效應(yīng)在聲光掃描中的應(yīng)用

聲光掃描也是聲光效應(yīng)的一個典型應(yīng)用，其實質(zhì)就是通過聲光效應(yīng)的原理使光束進(jìn)行掃描偏轉(zhuǎn)。通過對聲光掃描器進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)其結(jié)構(gòu)跟布喇格聲光調(diào)制器大致一樣。聲光掃描器與布喇格聲光調(diào)制器的區(qū)別之處是后者能夠?qū)ρ苌涔獾膹姸冗M(jìn)行改變，而前者是只能對衍射光的方向進(jìn)行改變。在聲光掃描中，發(fā)生的偏轉(zhuǎn)有兩種形式，一種是光束連續(xù)偏轉(zhuǎn)，另一種是分離的光點掃描偏轉(zhuǎn)。

2.3 聲光效應(yīng)在聲光調(diào)Q中的應(yīng)用

首先，我們需要了解下Q值的含義。所謂的Q值即對激光器中光學(xué)諧振腔質(zhì)量進(jìn)行評價的一個指標(biāo)，通過這個指標(biāo)，我們可以清晰地了解到光學(xué)諧振腔質(zhì)量的優(yōu)與劣。

在這個公式中，有必要交代其中的字母的含義。其中W的含義是腔內(nèi)儲存的總能量；dw/dt的含義是光子能量的損耗速率，即單位時間內(nèi)損耗的能量；ν的含義是激光的中心頻率。

聲光調(diào)Q的主要原理是在諧振腔中放置聲光介質(zhì)，當(dāng)有超聲波通過的時候，聲光介質(zhì)發(fā)生一些改變，其密度會呈現(xiàn)周期性的改變，那么此時的介質(zhì)的折射率周期也會有改變，從而使光速偏轉(zhuǎn)，此時的Q值處于較低的水平。假設(shè)沒有超聲波通過聲光介質(zhì)，那么Q值基處于較高的水平，激光振蕩現(xiàn)象就有可能出現(xiàn)。通過上述聲光調(diào)Q的原理分析，我們不難發(fā)現(xiàn)，聲光開關(guān)的開關(guān)能力不強，所以不適合在高能量調(diào)Q激光器中使用。如圖2所示為一種調(diào)Q激光器實物圖。

圖1 聲光調(diào)制原理圖

圖2 一種調(diào)Q激光器實物圖

3 結(jié)束語

在激光技術(shù)和超聲技術(shù)獲得飛速發(fā)展之后，聲光效應(yīng)的應(yīng)用越來越深入且廣泛。通過聲光效應(yīng)，我們不僅能夠制作聲光調(diào)制器，還能制作聲光偏振器，還可以用來對激光束的有關(guān)參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)與控制。不僅如此，其在集成光通信技術(shù)方面也能夠起到非常重要的作用。