声光调制原理

当声波在某些介质中传播时，会随时间与空间的周期性的弹性应变，造成介质密度（或光折射率）的周期变化。介质随超声应变与折射率变化的这一特性，可使光在介质中传播时发生衍射，从而产生声光效应：存在于超声波中的此类介质可视为一种由声波形成的位相光栅（称为声光栅），其光栅的栅距（光栅常数）即为声波波长。当一束平行光束通过声光介质时，光波就会被该声光栅所衍射而改变光的传播方向，并使光强在空间作重新分布。

声光器件由声光介质和换能器两部分组成。前者常用的有钼酸铅（PM）、氧化碲等，后者为由射频压电换能器组成的超声波发生器。如图1所示为声光调制原理图。

图1 声光调制的原理

理论分析指出，当入射角（入射光与超声波面间的夹角）满足以下条件时，衍射光最强。

（1）

式中N为衍射光的级数，、k分别为入射光的波长和波数，与K分别为超声波的波长和波数

声光衍射主要分为布拉格（Bragg）衍射和喇曼-奈斯（Raman-Nath）衍射两种类型。前者通常声频较高，声光作用程较长；后者则反之。由于布拉格衍射效率较高，故一般声光器件主要工作在仅出现一级光（N=1）的布拉格区。

满足布拉格衍射的条件是： 

（2）

（式中F与分别为超声波的频率与速度，为光波的波长）

当满足入射角较小，且 的布拉格衍射条件下，由（1）式可知，此时 ，并有最强的正一级（或负一级）的衍射光呈现。

入射（掠射）角与衍射角之和称为偏转角（参见图1），由（2）式：

（3）

由此可见，当声波频率F改变时，衍射光的方向亦将随之线性地改变。

同时由此也可求得超声波在介质中的传播速度为：

（4）