中國古代園林

[拼音]：shengguang xiaoying

[英文]：acousto-optic effect

當超聲波傳過介質時，在其內產生週期性彈性形變，從而使介質的折射率產生週期性變化，相當於一個移動的相位光柵，稱為聲光效應。若同時有光傳過介質，光將被相位光柵所衍射，稱為聲光衍射。利用聲光衍射效應制成的器件，稱為聲光器件。聲光器件能快速有效地控制鐳射束的強度、方向和頻率，還可把電訊號實時轉換為光訊號。此外，聲光衍射還是探測材料聲學性質的主要手段。

1922年，L.N.布里淵在理論上預言了聲光衍射;1932年P.J.W.德拜和F.W.席爾斯以及R.盧卡斯和P.比夸特分別觀察到了聲光衍射現象。從1966年到1976年期間，聲光衍射理論、新聲光材料及高效能聲光器件的設計和製造工藝都得到迅速發展。1970年，實現了聲表面波對導光波的聲光衍射，並研製成功表面（或薄膜）聲光器件。1976年後，隨著聲光技術的發展，聲光訊號處理已成為光訊號處理的一個分支。

基本理論

彈性形變所引起的介質折射率變化可以寫成

式中n為介質的折射率，S為介質形變的程度，p為聲光（或彈光）係數（由材料性質決定）。聲光衍射的特性與聲光互作用長度L的大小有關（圖1）。聲光衍射特徵長度的定義為

式中 λ＝λ0/n 為介質中光波波長（λ0為真空中波長），

為超聲波波長（v為聲速，f為頻率）。由上式可見，在高頻工作時，L0很小。

喇曼-奈斯衍射

要求滿足條件

，相當於平面光柵。此種衍射的特點是：

（1）對入射光方向無嚴格要求，一般取垂直入射；

（2）衍射光有許多級（圖1a），第m級衍射光的方向和衍射效率為

式中Ii為入射光光強；V呏（2π/λ0）墹nL，稱為聲光相移；Jm是第m階貝塞爾函式。當V=1.84弧度時，J1(V)達到最大，並有η

=0.339=33.9％，高階衍射的效率更低。

布喇格衍射

要求滿足條件L≥2L0，相當於體光柵。此種衍射的特點是：

（1）只有當入射光方向滿足一定條件時，才有顯著的聲光衍射；

（2）衍射光或者只有+1級或者只有-1級（圖1b），並分別稱為±1級布喇格衍射。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。布喇格衍射只出現一束衍射光，且η可高達100％(V=π時)，故在實用上一般都採布喇格衍射。

聲光器件

在實際器件中，超聲波是由壓電換能器激發，聲光互作用介質和壓電換能器相結合即為聲光器件(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體內傳播，聲光互作用介質和壓電換能器常用銦、錫或鋁等軟金屬材料，通過真空冷壓焊工藝粘合在一起。

（2）表面(或薄膜)聲光器件：聲波為沿介質表面傳播的聲表面波，光波則為在平面光波導中傳播的導光波。這時，聲光介質和壓電材料融為一體，襯底材料必須既具有聲光效應又具有壓電效應，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。

聲光調製器

根據聲光調製原理製成的器件。聲致相移V和超聲功率Pa之間的關係為

式中M2呏n6p2/ρV3(ρ為介質的密度)是由聲光材料性質決定的物理量，稱為聲光優值。由式(2)和(3)可見，改變Pa（實際是改變加在壓電換能器上的電訊號功率）即可改變η或Id的值。當V較小時，sin(V/2)≈V/2，易得η≈(V/2)2∝Pa，即可實現線性調製。

聲光偏轉器

根據聲光偏轉原理製成的器件。由圖1b可見，偏轉角(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訊號的頻率f，即可改變衍射光的方向。

聲光移頻器

由於超聲波是向前傳播的，聲光衍射時光將發生多普勒頻移。對於 ±1級布喇格衍射，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。改變電訊號的頻率f=Ω/2π，即可改變衍射光的頻率。

聲光可調濾光器

例如入射光具有複雜的光譜成分(即包括許多不同波長的光)，式(1)可改寫成θi=λf/2V。當θi一定時，λf為常數。相對地改變電訊號頻率f，波長不同的光將相應地分別被聲光衍射取出。

參考書目

徐介平：《聲光器件的原理、設計和應用》，科學出版社，北京，1982。

R.W.Damon，W.T.Maloney and D.H.McMahon，In-teraction of Light with Ultrasound: Phenomena and Applications，Physical Acoustics，Vol.7，AcademicPress， NewYork，London，1970.