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户丁了了!
用
提要:卢泼可以用来
ε
调制尤的振幅和相位,
{史尤偏转,
{史尤会来,或者使尤的频率移动。
,
尤可以使卢音的影象成为可见的,或者提供关于团体和液体热振动方面的详细的信息.由卢沈
引起的尤淡的衍射采取几种不同的形式
p
取决于两者的;皮长和相
互
作用区
1
式的
大小
.文中置
于这
几种形式作了描述和分析
p
随
后还详细讨
i
i-
了各式各样的
应用
,包括
信号处
JY.装置,须谱分析
仪,电视显示怒,象转换器
p
存贮器,以及尤转换为卢.
作
互
相
古尸
光
应用的回顾放在两个最重要的声光相
互作用形式之后,即放在
Debye-Sears
效应
和
Bragg
反射之后(光线弯曲,低频效应另
辟专文讨论)。讨论是定性的,借助于电学
工程的相位调制概念。没有时间看理论的读
者,在看应用之前可以略去这些讨论,只看
三个说明一一图
5
,它说明
Debye-Sears
效
应,图
8
和图
9
,示出
Bragg
反射的主要性
质。
可以用
三
种方式来理解光声相互作用。
各种方式着重过程的不同方面,三个都是有
用的。这里我们简单说明这三种理解,稍后
再更全面地发挥。
1.可以利用经典光学,认为声波的作
用象一个运动的
三维
相光栅,它散射入射光
波。
2.
可以借用电学工程,利用诸如上变
换、
‘
下变换的概念和
参量器
件遵守的方程,
把过程理解为在非线性电抗性媒质中的分布
参量相互作用。
3.
可以使用量子力
学
的观念,用光子
和
声子
之间的碰
撞来
说明过程,过程中能量
和动
量是守恒
的。
在下面的讨论中我们三种理解都用,只
5
•
如果透过
一玻璃
杯中的水观察一个发亮
的物体,然后在水中产生频率为几兆赫的超
声波,那么发亮的物体看起来就分裂成许多
挨得很紧的象,声强增加,这种效应就更显
著,在两边会出现新的象
F
增加声音的频
率,象就分得更开。这种由于高频声波而产
生的光的衍射现象在布里渊宣布了之后,人
们常称之为布里渊散射
[1]
。第一次观察到这
个现象是在
1932
年,在那以后大家又做了
很多实验和理论工作。
最
近,激光器的发展
和高频声学技术的进展结合起来,使得以前
不可能作的大
量光声
相互作用实验成为可
能,许多新的应用也提出来了。
在本文中,我们将回顾一部分这样的
声
光器件一→从
1930
年发展起来的用非相干
光工作得相当好的超声光调制器,以及近年
来用激光作为光源的光调制器、光移频器、
光偏转器。相干光使我们有可能观
察
到固体
中频率高到微波范围的声波,我们将指出怎
样利用它来观看声
学
延迟线和测量声辐射
图。我们将描述一个小物体散射的超声波与
激光作用,形成物体的可见象的成象过程。
最后,还将简述用声光相互作用过程来研究
液体和固体物理性质的实验。
。
、
智'一.、、,
如
d
要有可能,就尽量用电学工程概念。
Debye
-
Sears
效应
设想一平面光波,角频率
ω
,在长为
l
的
板中从左至右行进(图1)。板用折射率为
n
的材料制成。这意味着板中的光速从真空
时的值
c
降到
c/n
。板中的波长是
λ=
2π
c
/n
ω
,传播常数
β(
每
2π
单位长度的波
数)是
β=ω
n/c
。板可以看成延迟时间
τ
=ln/c
,
相移
fþ
=1.β
弧度的光
学
延迟线。
图
1
光学延迟线.折射率
n
的变化产生相调制。
假设可以使折射率
n
变化一小量
b,.
n
。
这样做,就改变了延迟时间。结果在输出端
相移是
/:).
fþ
=l
b,.
β
=1
β
子二
2π7fATZ
其中,
λ
。是真空中光的波长。对于
2.5
厘米
长的板和红光,因于
1/
λ
。犬约等于
4x
10
飞
因此折射率仅
b,.
n=
10
-
6
的变化就引起四分
之一弧度的相移。用电学工程的标准来看,
40
,
000
个波长长的延迟线是非同寻常的,因
此相速的小变化会在接收端产生大相移是一
点也不奇怪的。
令
/::i..1J
作正弦式的变化,调制频率为
ω
坷。
输出信号一一从板的右端发出的光一→按
ω
范
作相调制,其相移
Aφ
按前一段中的公式计
算
a
相调制波对很多
电
学工程
师来说是熟悉
的,在关于调制系统的标准的课本中都讲过。
载波间隔
ω
冽并且彼此间隔也为
ω
洒
的边带
组成(图
2)
。载波和边带的振幅是最大相移
〈通常称为调制指数〉的函数(图
3)
0
~J
b,.
fþ
::::::1/2
弧度时,第一对边带才有相当大的振
~高;
/:).
φ
增加,
出现越来越多的边带对
。
在
.
b,.
fþ
=2
.4弧度时,载波振幅变成
零。在
板的右端,存在边带频率为
ω
土
ω
割
、
ω
士
2ω
揭
等的光,其数值由
b,.
n
按图
3
的曲线决定。
除非我们把
/:).n
正好调到某一特定的值,使
原来的频率为
ω
的载波光的振幅为零,一
般情况下载波光还是存在的。在解释图
3
时,
我们必须牢记各分量的强度或功率与其振幅
的平方成正比。
1.
图
2
典型的相调制泼的载被
(ω)
的边带的频谱
L
就被
ð~
..
、
图
3
相调制波的载波和边带
‘
的振幅-相移
~
Aφ
。
这些曲
线
是贝塞耳函数
1..1
,
.1.
等等.
在图
4
中,我们放了很多板迭成一个竖
直的柱,并发送频率为
ω
嚣的压缩波通过它
向上行进。每一块板代表声传输线的一个增
量单元(如图所示,
1/4
波长部分
)0
'
在一定
字
瞬间,某一板被压缩,其折射率增加。半个
周期以后,它又扩张,折射率减少。因此,
.
压缩也伴随着折射率变化的被
z
两种波与起
这些课本告诉我们,相调制波是由载波和与
按声速
U
向上行进。
• 6 •
雪
..
人射光放前
ω
声相应
扩张 I
下
ωm
声
波
,世波光放前
-级上边带放前
U
图
4
向上行进的
声
波造成光的相移
p
并使一
级
上边
带
的
波前歪
斜
。载波波前
保
持
不
变.
频率为
ω
,从左到右水平行进的平面光
波照到柱的左边。各个板和前面说的一样调
制光。在柱右边任何地方我们都发现载波和
边带分量。载波分量对于所有的板都有相同
的相位,虽然振幅改变
j
并且极化也可能相反
〈如果相移
ß.
cþ
超过
2
.
4
弧度的话)
J
因此,
原来频率为
ω
的光中的剩余部分以光载波的
形式按原来的方向向右前进。对于一级上边
带
ω+ω
剖情况则有所不罔
F
在各板中
.
,这个
边带的相位对应于产生它的声调制的相位,
相位从一块板到另一块板按坚直位置的函数
线性变化,在用虚线标出的两块板之间为一
个完整的周期,这个间隔为一个声波波长。
从柱子右边边界上发出的一级上边带分量都
显示出同样的相位随坚直位置线性变化。
为了找到频率为
ω+ω
刻的边带光的辐
射方向,我们把同相位的点连在一起构成一
个波前。靠近柱子较低的部分,声波较早通
过,相位超前,这样的点向右移动更远,坚
直方向上每一声波长
A
相应水平方向上一
个光波长
λ
。所以波前歪斜角
λ/
.t1,如图所
示。在各向同性材料中,传播的方向总是垂
直于波前,即向上歪斜同一角度。波长才和
λ
必须是在传送声波的媒质中测量的,如果
我们在外边,即在空气或真空里来观察衍射
光,并且如果介质的光学边界与声波前进的
方向〈图
4
中的坚直方向)近似平行,载波和
边带光之间的夹角在边界上因折射而增加为
λ
。/
.t1,其中
λ
。是光在真空中的波长。
同样的理由指出更高次的边带以相应的
更大的偏转射出,下边带向下偏转,如图
5
所示。对于频率为
ω
-:t
N
ω
郡
的边带,从原来
的方向偏转士
Nλ
/A
。这就是有超声波从水
中通过时,在一杯水中能看到那些多重象的
道理,这个现象在
1932
年首先为
Debye
和
Sears[2]
以及
Lucas
和
Biquard
所描述问。
三年之后
Ali[4]
用实验证实衍射光频移接近
预期值。直到有了激光器以后
(CummÎs
Knable,
1963
年)
[5]
才精确地加以验证
。
4
今
3
、
•
图
5
Debye-Sears
效应
.
用一个方的换能器辐射
5
兆赫声波入水
中,很容易观察到
D
e
bye -
Sears
效应。在
水中
,
v=
1500
米/秒,因此
Ll
=300
微米。
对于红光,
λ
。
=0.6
微米,象分开是
0.002
弧度或约
1/8
度,不用什么帮助,用眼睛也
可清楚地分开。对于
0.5
瓦声功率,载波光
强降至无衍射光时的原来光强约
5%;
每个
一级边带
33%
,每个二级边带
12.5%
J
其
余的光强落在更高级的边带上。
临界长度
到现在为止,在我们的分析中,兼用了
几何光学和波动光学。为了确定衍射光各分
• 7 •
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