張博涵
(中國人民大學附屬中學,北京 100080)
在上個世紀二十年代,由著名的光學領域研究專家L.N.布里淵從理論上對聲光衍射進行了預測。之后,在二十世紀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。在二十世紀六七十年代,關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,聲光技術進一步發(fā)展,聲光信號的處理成為了一個研究熱點。
眾所周知,當超聲波經過介質的時候,介質會發(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。從本質上來講,聲光效應就是對光通過聲波擾動的介質時發(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。在這里,還需要闡述下彈光效應的含義,所謂的彈光效應,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。彈光效應在很多光線傳感器中進行深入而廣泛的應用。
所謂的聲光調制,就是借助聲光效應的原理進行應用的一個過程,在這個物理過程中,必須把信息加載在光頻載波上。在聲光調制的應用中,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化。在光波經過聲光介質的前提下,光載波被調制為具有較強強度的調制波。如圖1所示為聲光調制原理圖目前,聲光調制應用較為廣泛的兩種調制器分別是分拉曼—納斯型聲光調制器和布喇格聲光調制器。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制帶寬較寬,衍射的效率也高。
聲光掃描也是聲光效應的一個典型應用,其實質就是通過聲光效應的原理使光束進行掃描偏轉。通過對聲光掃描器進行觀察,發(fā)現(xiàn)其結構跟布喇格聲光調制器大致一樣。聲光掃描器與布喇格聲光調制器的區(qū)別之處是后者能夠對衍射光的強度進行改變,而前者是只能對衍射光的方向進行改變。在聲光掃描中,發(fā)生的偏轉有兩種形式,一種是光束連續(xù)偏轉,另一種是分離的光點掃描偏轉。
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諧振腔質量進行評價的一個指標,通過這個指標,我們可以清晰地了解到光學諧振腔質量的優(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,即單位時間內損耗的能量;ν的含義是激光的中心頻率。
聲光調Q的主要原理是在諧振腔中放置聲光介質,當有超聲波通過的時候,聲光介質發(fā)生一些改變,其密度會呈現(xiàn)周期性的改變,那么此時的介質的折射率周期也會有改變,從而使光速偏轉,此時的Q值處于較低的水平。假設沒有超聲波通過聲光介質,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Q的原理分析,我們不難發(fā)現(xiàn),聲光開關的開關能力不強,所以不適合在高能量調Q激光器中使用。如圖2所示為一種調Q激光器實物圖。
圖1 聲光調制原理圖
圖2 一種調Q激光器實物圖
在激光技術和超聲技術獲得飛速發(fā)展之后,聲光效應的應用越來越深入且廣泛。通過聲光效應,我們不僅能夠制作聲光調制器,還能制作聲光偏振器,還可以用來對激光束的有關參數(shù)進行調節(jié)與控制。不僅如此,其在集成光通信技術方面也能夠起到非常重要的作用。