聲光效應(yīng)和超聲光柵(聲光效應(yīng)的基本理論)

1.聲光效應(yīng)的基本理論

彈性形變所引起的介質(zhì)折射率變化可以寫成：

式中n為介質(zhì)的折射率，S為介質(zhì)形變的程度，p為聲光（或彈光）系數(shù)（由材料性質(zhì)決定）。聲光衍射的特性與聲光互作用長(zhǎng)度L的大小有關(guān)（圖1）。聲光衍射特征長(zhǎng)度的定義為：

式中λ=λ0/n為介質(zhì)中光波波長(zhǎng)（λ0為真空中波長(zhǎng)），為超聲波波長(zhǎng)（v為聲速，f為頻率）。由上式可見(jiàn)，在高頻工作時(shí)，L0很小。

喇曼-奈斯衍射 要求滿足條件，相當(dāng)于平面光柵。此種衍射的特點(diǎn)是：①對(duì)入射光方向無(wú)嚴(yán)格要求，一般取垂直入射；②衍射光有許多級(jí)（圖1a），第m級(jí)衍射光的方向和衍射效率為：

式中Ii為入射光光強(qiáng)；V呏（2π/λ0）墹nL，稱為聲光相移；Jm是第m階貝塞爾函數(shù)。當(dāng)V=1.84弧度時(shí)，J1(V)達(dá)到最大，并有η=0.339=33.9%，高級(jí)衍射的效率更低。

布喇格衍射 要求滿足條件L≥2L0，相當(dāng)于體光柵。此種衍射的特點(diǎn)是：①只有當(dāng)入射光方向滿足一定條件時(shí)，才有顯著的聲光衍射；②衍射光或者只有+1級(jí)或者只有-1級(jí)（圖1b），并分別稱為±1級(jí)布喇格衍射。入射光和衍射光方向以及衍射效率為：式中θi和θd分別為入射光和衍射光與超聲波波面的夾角，θB為布喇格角。布喇格衍射只出現(xiàn)一束衍射光，且η可高達(dá)100%(V=π時(shí))，故在實(shí)用上一般都采布喇格衍射。

聲光器件 在實(shí)際器件中，超聲波是由壓電換能器激發(fā)，聲光互作用介質(zhì)和壓電換能器相結(jié)合即為聲光器件（圖2）。聲光器件分為兩類。①體聲光器件：聲波和光波均在介質(zhì)體內(nèi)傳播，聲光互作用介質(zhì)和壓電換能器常用銦、錫或鋁等軟金屬材料，通過(guò)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(zhì)表面?zhèn)鞑サ穆暠砻娌?，光波則為在平面光波導(dǎo)中傳播的導(dǎo)光波。這時(shí)，聲光介質(zhì)和壓電材料融為一體，襯底材料必須既具有聲光效應(yīng)又具有壓電效應(yīng)，常用的材料有Y切鈮酸 鋰，而叉指換能器只需在材料表面蒸鍍叉指狀電極。

聲光調(diào)制器 根據(jù)聲光調(diào)制原理制成的器件。聲致相移V和超聲功率Pa之間的關(guān)系為

式中M2呏np/ρV（ρ為介質(zhì)的密度）是由聲光材料性質(zhì)決定的物理量，稱為聲光優(yōu)值。由式（2）和（3）可見(jiàn)，改變Pa（實(shí)際是改變加在壓電換能器上的電信號(hào)功率）即可改變?chǔ)腔騃d的值。當(dāng)V較小時(shí)，sin(V/2)≈V/2，易得η≈（V/2）∝Pa，即可實(shí)現(xiàn)線性調(diào)制。

聲光偏轉(zhuǎn)器 根據(jù)聲光偏轉(zhuǎn)原理制成的器件。由圖1b可見(jiàn)，偏轉(zhuǎn)角（即衍射光與入射光之間的夾角）α=θi+θd，把式（1）代入，即得

改變加在壓電換能器上的電信號(hào)的頻率f，即可改變衍射光的方向。

聲光移頻器 由于超聲波是向前傳播的，聲光衍射時(shí)光將發(fā)生多普勒頻移。對(duì)于 ±1級(jí)布喇格衍射，ωd=ωi±Ω，式中ωi、ωd和Ω分別為入射光、衍射光和超聲波的圓頻率。改變電信號(hào)的頻率f=Ω/2π，即可改變衍射光的頻率。

聲光可調(diào)濾光器 例如入射光具有復(fù)雜的光譜成分（即包括許多不同波長(zhǎng)的光），式（1）可改寫成θi=λf/2V。當(dāng)θi一定時(shí)，λf為常數(shù)。相對(duì)地改變電信號(hào)頻率f，波長(zhǎng)不同的光將相應(yīng)地分別被聲光衍射取出。

2.在物理實(shí)驗(yàn)聲光效應(yīng)中,有這樣兩個(gè)思考題1.本實(shí)驗(yàn)如何保證平行光束

聲速與傳聲媒質(zhì)的特性及狀態(tài)有關(guān)，通過(guò)對(duì)超聲波聲速的測(cè)量，可以了解被測(cè)媒質(zhì)的特性及狀態(tài)的變化，本實(shí)驗(yàn)采用共振干涉法和位相比較法測(cè)量超聲波的聲速。

大家知道，電視機(jī)接收到的圖像和聲音是由電視臺(tái)將聲光信號(hào)調(diào)制為電信號(hào)發(fā)射出來(lái) 的。電視機(jī)接收到電信號(hào)再經(jīng)過(guò)解調(diào)，還原成圖像和聲音。

激光打印機(jī)激光器射出的光束也載有數(shù)據(jù)信息，這些信息的轉(zhuǎn)換過(guò)程也類似于電視機(jī)信息傳遞過(guò)程。只是此過(guò)程是由聲光 調(diào)制器轉(zhuǎn)換的。

聲光調(diào)制器的調(diào)制頻率可達(dá)30MHz左右，特性穩(wěn)定，因此大多數(shù)的激光打印機(jī)都采用這種調(diào)制器。聲光調(diào)制器的工作原理是利用聲光效應(yīng)所產(chǎn)生的布雷格衍射的特 點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)激光束傳播方向的控制。

激光束欲完成圖文信息的映像任務(wù)，必須用圖文信息進(jìn)行調(diào)制，恰如電視臺(tái)將圖像及聲音信號(hào)調(diào)制到無(wú)線電波上去，方能在電視機(jī)中解調(diào)出圖像與 聲音信號(hào)一樣。聲光調(diào)制器的工作原理，是利用聲光效應(yīng)產(chǎn)生布雷格衍射，若在玻璃及晶體等超聲媒質(zhì)中產(chǎn)生超聲波，便將引起周期性的折射率變化，而成為相位型衍射柵，光柵常數(shù) 等于超聲波波長(zhǎng)，當(dāng)激光束射到超聲媒質(zhì)中時(shí)，激光束即產(chǎn)生衍射，衍射光的強(qiáng)度及方向會(huì)隨超聲波的頻率及強(qiáng)度而變化，即為聲光效應(yīng)。

當(dāng)向玻璃或晶體發(fā)射超聲波而產(chǎn)生反射，由入射角折射的光線傳播而形成相位變化的衍射光 柵，光柵常數(shù)等于超聲波的波長(zhǎng)λ。如果激光束射入超聲媒體中，激光束就會(huì)產(chǎn)生衍射，衍射光的強(qiáng)度和方向隨超聲波的頻率和強(qiáng)度的變化而變化，這就是聲光效應(yīng)。

根據(jù)波干涉的加 強(qiáng)條件，入射光和衍射光的方向滿足布雷格方程： θi=θd=θB sinθB=λ/2A=λf/2v (v=fA) 式中：θi：入射光與超聲波面的夾角；λ：光在介質(zhì)中的波長(zhǎng)；θd： 衍射光與超聲波面的夾角；A：超聲波波長(zhǎng)；θB：布雷格角；f：超聲波頻率。 θB 很小時(shí)，sinθB≈θd，則方程可簡(jiǎn)化為：θi=θd=θB=λf/2v，當(dāng)衍射光和入射光的夾角為α?xí)r，則：α=θi+θd=2θB=λf/v。

式中α為偏轉(zhuǎn)角，它與超聲波的頻率成正比。改變超聲波頻率f，就可以改變偏轉(zhuǎn)角α，從而達(dá)到控制激光束方向的目的。

3.駐波波節(jié)之間距離為半個(gè)波長(zhǎng),為什么超聲光柵的光柵常數(shù)等于超聲波

超聲光柵的光柵常數(shù)指的是光柵介質(zhì)的密度分布的一個(gè)整周期，超聲波作為一種縱波在液體中傳播時(shí)，其聲壓使液體分子產(chǎn)生周期性的變化，促使液體的折射率也相應(yīng)地作周期性的變化，形成疏密波。

超聲波傳播時(shí)，如前進(jìn)波被一個(gè)平面反射，會(huì)反向傳播。在一定條件下前進(jìn)波與反射波疊加而形成超聲頻率的縱向振動(dòng)駐波。由于駐波的振幅可以達(dá)到單一行波的兩倍，加劇了波源和反射面之間液體的疏密變化程度。

擴(kuò)展資料：

在駐波場(chǎng)中描述聲場(chǎng)特性的某些物理量的幅值為零的點(diǎn)、線或面。這些物理量可以是聲壓、質(zhì)點(diǎn)位移、質(zhì)點(diǎn)速度和質(zhì)點(diǎn)加速度等。因此，描述波節(jié)時(shí)應(yīng)說(shuō)明波節(jié)的類型。

單色平行光λ沿著垂直于超聲波傳播方向通過(guò)上述液體時(shí)，因折射率的周期 變化使光波的波陣面產(chǎn)生了相應(yīng)的位相差，經(jīng)透鏡聚焦出現(xiàn)衍射條紋。這種現(xiàn)象 與平行光通過(guò)透射光柵的情形相似。

參考資料來(lái)源：百度百科--波節(jié)

參考資料來(lái)源：百度百科--超聲光柵

4.跪求答案：聲光柵是怎樣形成的

樓上的不知道是哪兒復(fù)制過(guò)來(lái)的，我來(lái)說(shuō)清楚一點(diǎn)。

1.聲光柵是由聲光晶體產(chǎn)生的

利用拍頻信號(hào)驅(qū)動(dòng)聲光偏轉(zhuǎn)器，在聲光晶體中形成兩個(gè)重疊的光柵，光源發(fā)出的激光以布拉格角入射，形成兩束一級(jí)衍射光，經(jīng)透鏡聚焦形成光強(qiáng)按正弦規(guī)律分布的結(jié)構(gòu)光條紋。

2.聲光晶體介紹

具有聲光效應(yīng)的晶體材料。晶體在外力作用下會(huì)引起其折射率的變化，從而導(dǎo)致其光學(xué)性質(zhì)的改變，這一現(xiàn)象稱為彈光效應(yīng)。當(dāng)超聲波（機(jī)械波）通過(guò)介質(zhì)材料時(shí)，要在介質(zhì)材料中產(chǎn)生彈性力，從而通過(guò)彈光效應(yīng)使介質(zhì)材料的折射率發(fā)生變化，這即為聲光效應(yīng)。

聲光晶體的最大特點(diǎn)是光學(xué)和聲學(xué)的各向異性。由于各向異性使聲光晶體在聲光效應(yīng)中具有反常布拉格衍射效應(yīng)，從而開(kāi)發(fā)出寬帶、快速的反常布拉格衍射聲光調(diào)制器和聲光濾波器。聲光晶體的各向異性，又使其可能在某些方向獲得很小的聲速和高的品質(zhì)因子。此外，晶格的長(zhǎng)程有序排列，又使聲光晶體一般具有較小的聲損耗，從而可以增大聲光器件的帶寬。

3.物理上的光柵

也稱衍射光柵。是利用多縫衍射原理使光發(fā)生色散（分解為光譜）的光學(xué)元件。它是一塊刻有大量平行等寬、等距狹縫（刻線）的平面玻璃或金屬片。光柵的狹縫數(shù)量很大，一般每毫米幾十至幾千條。單色平行光通過(guò)光柵每個(gè)縫的衍射和各縫間的干涉，形成暗條紋很寬、明條紋很細(xì)的圖樣，這些銳細(xì)而明亮的條紋稱作譜線。譜線的位置隨波長(zhǎng)而異，當(dāng)復(fù)色光通過(guò)光柵后，不同波長(zhǎng)的譜線在不同的位置出現(xiàn)而形成光譜。光通過(guò)光柵形成光譜是單縫衍射和多縫干涉的共同結(jié)果。

樓主問(wèn)的是頻率對(duì)聲光柵有何影響，聲光柵只是拍頻信號(hào)驅(qū)動(dòng)聲光偏轉(zhuǎn)器，在聲光晶體中產(chǎn)生的，就像物理光學(xué)里進(jìn)行衍射和干涉實(shí)驗(yàn)的的光柵一樣，光柵只是起到一個(gè)分離光的作用，而不會(huì)因外界頻率的影響而影響，如果要說(shuō)影響的話，那就是拍頻信號(hào)會(huì)對(duì)它造成一定的影響，這就要求你對(duì)聲光轉(zhuǎn)換器有一定的了解，看具體是如何實(shí)現(xiàn)的。

恕我淺薄?；卮鹜戤叄?/p>

5.聲光效應(yīng)調(diào)制電壓和光強(qiáng)的關(guān)系圖有什么用

超聲波通過(guò)介質(zhì)時(shí)會(huì)造成介質(zhì)的局部壓縮和伸長(zhǎng)而產(chǎn)生彈性應(yīng)變，該應(yīng)變隨時(shí)間和空間作周期性變化，使介質(zhì)出現(xiàn)疏密相間的現(xiàn)象，如同一個(gè)相位光柵 。當(dāng)光通過(guò)這一受到超聲波擾動(dòng)的介質(zhì)時(shí)就會(huì)發(fā)生衍射現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱之為聲光效應(yīng)。

聲光效應(yīng)就是研究光通過(guò)聲波擾動(dòng)的介質(zhì)時(shí)發(fā)生散射或衍射的現(xiàn)象。由于彈光效應(yīng)，當(dāng)超聲縱波以行波形式在介質(zhì)中傳播時(shí)會(huì)使介質(zhì)折射率產(chǎn)生正弦或余弦規(guī)律變化，并隨超聲波一起傳播，當(dāng)激光通過(guò)此介質(zhì)時(shí)，就會(huì)發(fā)生光的衍射，即聲光衍射。

6.光學(xué)平面光柵和超聲光柵有什么異同

超聲光柵：

由超聲波在液體中產(chǎn)生的光柵作用稱作超聲光柵。

平面衍射光柵：普通的光線衍射光柵

光波在介質(zhì)中傳播時(shí)被超聲波衍射的現(xiàn)象稱為超聲致光衍射（亦稱聲光效應(yīng)）。

超聲波作為一種縱波在液體中傳播時(shí)，其聲壓使液體分子產(chǎn)生周期性的變化，促使液體的折射率也相應(yīng)地作周期性的變化，形成疏密波。此時(shí)，如有平行單色光垂直于超聲波傳播方向通過(guò)這疏密相同的液體時(shí)，就會(huì)被衍射，這一作用，類似光柵，所以稱為超聲衍射。

單色平行光λ沿著垂直于超聲波傳播方向通過(guò)上述液體時(shí)，因折射率的周期變化使光波的波陣面產(chǎn)生了相應(yīng)的位相差，經(jīng)透鏡聚焦出現(xiàn)衍射條紋。這種現(xiàn)象與平行光通過(guò)透射光柵的情形相似。因?yàn)槌暡ǖ牟ㄩL(zhǎng)很短，只要盛裝液體的液體槽的寬度能夠維持平面波（寬度為τ），槽中的液體就相當(dāng)于一個(gè)衍射光柵。

7.從發(fā)生衍射的原理看超聲光柵與普通光柵有什么不同

光柵

稱衍射色散（解光譜）光元件塊刻量平行等寬、等距狹縫（刻線）平面玻璃或金屬片光柵狹縫數(shù)量般每毫米幾十至幾千條單色平行光通光柵每縫衍射各縫間干涉形暗條紋寬、明條紋細(xì)圖些銳細(xì)明亮條紋稱作譜線譜線位置隨波異復(fù)色光通光柵同波譜線同位置現(xiàn)形光譜光通光柵形光譜單縫衍射縫干涉共同結(jié)

衍射光柵產(chǎn)光譜線位置用式d·sinq=kl表示式d=狹縫寬度a+狹縫間距b稱作光柵數(shù)；q衍射角l波k=0±1±2……光譜級(jí)數(shù)用式計(jì)算光波波光柵產(chǎn)條紋具強(qiáng)度、條紋窄、彼間隔寬特點(diǎn)極辨性能利用光柵衍射精確測(cè)定波衍射光柵辨本領(lǐng)R=l/Dl=kN其N狹縫數(shù)狹縫數(shù)越明條紋越亮、越細(xì)光柵辨本領(lǐng)越高增縫數(shù)N提高辨本領(lǐng)光柵技術(shù)重要課題

早光柵1821由德科家J.夫瑯費(fèi)用細(xì)金屬絲密排繞兩平行細(xì)螺絲制形柵欄故名光柵現(xiàn)代光柵用精密刻劃?rùn)C(jī)玻璃或金屬片刻劃光柵光柵攝譜儀核組部其種類按所用光透射反射透射光柵、反射光柵反射光柵使用較廣泛；按其形狀平面光柵凹面光柵外全息光柵、交光柵、相光柵、炫耀光柵、階梯光柵等

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