声光效应实验原理及其应用研究

张博涵

（中国人民大学附属中学，北京 100080）

在上个世纪二十年代，由著名的光学领域研究专家L.N.布里渊从理论上对声光衍射进行了预测。之后，在二十世纪30年代，R.卢卡斯和P.比夸特等人先后看到了声光衍射现象，从而见证了声光衍射理论的可行性。在二十世纪六七十年代，关于声光材料和声光衍射的理论相继得到了快速发展。从1976年之后，声光技术进一步发展，声光信号的处理成为了一个研究热点。

1 声光效应的实验原理分析

众所周知，当超声波经过介质的时候，介质会发生弹性的变形，这种变形不仅会随时间改变，而且会随空间发生变化，并且这种变化都是周期性的。最终，介质出现疏密相间的现象，这种现象跟相位光栅非常类似。从本质上来讲，声光效应就是对光通过声波扰动的介质时发生散射或者衍射的现象。这种现象出现的必须要有这几个前提条件：光、声波、介质。在这里，还需要阐述下弹光效应的含义，所谓的弹光效应，就是在垂直于光波传播方向施加一个力，那么对于沿该力的方向偏振的光而言，介电常数会增加。弹光效应在很多光线传感器中进行深入而广泛的应用。

2 声光效应实验原理的应用

2.1 声光效应在声光调制中的应用

所谓的声光调制，就是借助声光效应的原理进行应用的一个过程，在这个物理过程中，必须把信息加载在光频载波上。在声光调制的应用中，需要用到电-声换能器，这个器件的主要作用是实现电信号向超声场的转化。在光波经过声光介质的前提下，光载波被调制为具有较强强度的调制波。如图1所示为声光调制原理图目前，声光调制应用较为广泛的两种调制器分别是分拉曼—纳斯型声光调制器和布喇格声光调制器。前者的主要特征是只能在低频（通常频率小于10MHz）环境下工作。后者的主要特征是调制带宽较宽，衍射的效率也高。

2.2 声光效应在声光扫描中的应用

声光扫描也是声光效应的一个典型应用，其实质就是通过声光效应的原理使光束进行扫描偏转。通过对声光扫描器进行观察，发现其结构跟布喇格声光调制器大致一样。声光扫描器与布喇格声光调制器的区别之处是后者能够对衍射光的强度进行改变，而前者是只能对衍射光的方向进行改变。在声光扫描中，发生的偏转有两种形式，一种是光束连续偏转，另一种是分离的光点扫描偏转。

2.3 声光效应在声光调Q中的应用

首先，我们需要了解下Q值的含义。所谓的Q值即对激光器中光学谐振腔质量进行评价的一个指标，通过这个指标，我们可以清晰地了解到光学谐振腔质量的优与劣。

在这个公式中，有必要交代其中的字母的含义。其中W的含义是腔内储存的总能量；dw/dt的含义是光子能量的损耗速率，即单位时间内损耗的能量；ν的含义是激光的中心频率。

声光调Q的主要原理是在谐振腔中放置声光介质，当有超声波通过的时候，声光介质发生一些改变，其密度会呈现周期性的改变，那么此时的介质的折射率周期也会有改变，从而使光速偏转，此时的Q值处于较低的水平。假设没有超声波通过声光介质，那么Q值基处于较高的水平，激光振荡现象就有可能出现。通过上述声光调Q的原理分析，我们不难发现，声光开关的开关能力不强，所以不适合在高能量调Q激光器中使用。如图2所示为一种调Q激光器实物图。

图1 声光调制原理图

图2 一种调Q激光器实物图

3 结束语

在激光技术和超声技术获得飞速发展之后，声光效应的应用越来越深入且广泛。通过声光效应，我们不仅能够制作声光调制器，还能制作声光偏振器，还可以用来对激光束的有关参数进行调节与控制。不仅如此，其在集成光通信技术方面也能够起到非常重要的作用。