聲光效應實驗原理及其應用研究

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展。從1976年之后，聲光技術進一步發展，聲光信號的處理成為了一個研究熱點。

1 聲光效應的實驗原理分析

眾所周知，當超聲波經過介質的時候，介質會發生彈性的變形，這種變形不僅會隨時間改變，而且會隨空間發生變化，并且這種變化都是周期性的。最終，介質出現疏密相間的現象，這種現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生散射或者衍射的現象。這種現象出現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。

2 聲光效應實驗原理的應用

2.1 聲光效應在聲光調制中的應用

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。

2.2 聲光效應在聲光掃描中的應用

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，發現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，發生的偏轉有兩種形式，一種是光束連續偏轉，另一種是分離的光點掃描偏轉。

2.3 聲光效應在聲光調Q中的應用

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，聲光介質發生一些改變，其密度會呈現周期性的改變，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，激光振蕩現象就有可能出現。通過上述聲光調Q的原理分析，我們不難發現，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

3 結束語

在激光技術和超聲技術獲得飛速發展之后，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進行調節與控制。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。