正文
當聲波頻率比較低,且光束寬度比聲波波長小時,媒質折射率的空間變化使光線發生偏轉或聚焦作用;當聲波頻率增高,且光束寬度比聲波波長大很多時,這種折射率的周期性變化起著相位光柵的作用,使通過的光束的相位受到相應的周期性調製,因而使光束髮生衍射。聲光作用是在20世紀初由 L.-N.布里淵等人首先從理論上提出的,亦稱布里淵散射(見光的散射),以後在實驗上得到了證實。就聲光衍射而言,依實驗條件不同,出現兩種不同的衍射現象:①當超音波的頻率不太高,且光束穿越聲場的作用距離較小的情況下,聲波引起媒質折射率的周期性變化起著相位光柵的作用,使通過的光束產生多級衍射,分布在出射光束兩側,此現象是C.V.喇曼和N.S.納根德拉·納特首先提出的,稱為喇曼-納特衍射;②當超音波頻率較高,且光束穿越聲場的作用距離較大的情況下,類似於X 射線在點陣上的衍射作用,光束通過聲場以後,在出射光束的一側出現較強的一級衍射光,服從布喇格父子提出的理論,稱為布喇格衍射。不管在哪一種衍射的情況下,衍射光束都要產生偏轉、頻移和強度變化,變化的量值則隨聲波的強度、波長和傳播速度等參量而改變。聲光作用的套用就是利用衍射光束的這些性質來實現的。
圖1給出顯示各向異性晶體中各種聲波引起光衍射現象的實驗裝置方框圖。對於在晶體內傳播的縱波或切變波(統稱為體波),可以利用透射方法顯示,如對晶體表面傳播的各種聲表面波,則可同時利用透射和反射方法顯示。圖2表示由該系統所顯示的z 切割石英晶體內各種體波和表面波所引起的光衍射現象。利用xy表面的叉指換能器(見聲表面波器件)可同時激發起三種體波(縱波、快切變波和慢切變波)和兩種表面波(瑞利波和漏波),照片上每一曲線代表一種波的衍射圖,對應於每一種波在各方向的傳播速度的倒數,所以又稱倒速度圖。 從40年代開始,聲波引起的光衍射現象已廣泛用於透明媒質中超音波的激發和傳播規律的研究,如顯示超聲場的能量分布情況、測量聲速和衰減係數,可研究該透明媒質的巨觀和微觀的結構,為分子聲學和晶體聲學提供有效的研究方法(見超聲學)。
自60年代以來,由於雷射技術、聲學技術和電子技術的飛速發展,使聲光作用的研究和套用掀起更高的熱潮。利用聲光作用可以快速而有效地控制雷射束的頻率、方向和強度,因而推動了聲光器件的發展。已經研製成功的聲光調製器和聲光偏轉器,正越來越廣泛地套用於調諧濾波器、光存儲器、脈衝發生器、Q開關鎖模雷射器及光掃描器等。在許多場合,聲光器件已取代其他器件,甚至起著不可替代的作用。目前,聲光器件本身已開始系列化生產。特別是在70年代,由於光波導技術和聲表面波技術的進展,還發展了利用聲表面波和導引光波之間的聲光作用所產生的表面波聲光器件,可望在集成光通信方面得到重要的套用。總之,聲光作用既是研究凝聚態物質的巨觀和微觀結構的重要方法,又是聲學和光學中的新技術。
參考書目
李蔭遠、楊順華同著:《非線性光學》,科學出版社,北京,1974。
徐介平著:《聲光器件的原理、設計和套用》,科學出版社,北京,1982。
J. Sapriel,Acousto-Optics, John Wiley & Sons, New York, 1979.