物理效應(yīng)及其應(yīng)用-光聲效應(yīng)

第五章光聲效應(yīng)

這一章介紹光〔聲〕在不同參照系中的頻率變化——多普勒效應(yīng)、薩甘納克效應(yīng)；也介紹光波與聲波的相互作用造成的后果，調(diào)制的光如何產(chǎn)生聲和熱波。所有這些效應(yīng)極富應(yīng)用價(jià)值。第1節(jié)多普勒效應(yīng)

當(dāng)波源與觀測(cè)者之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，觀測(cè)者所接收到的波的頻率不等于波源振動(dòng)頻率，這種現(xiàn)象稱(chēng)為多普勒〔Doppler〕效應(yīng)。由于聲學(xué)〔機(jī)械波〕的多普勒效應(yīng)和光學(xué)〔電磁波〕的多普勒效應(yīng)有根本區(qū)別，所以下面分別進(jìn)行討論?！惨弧陈暥嗥绽招?yīng)乘火車(chē)旅行中，我們可以感覺(jué)到，高速行駛的火車(chē)?guó)Q笛而來(lái)時(shí)，汽笛的聲調(diào)變高，鳴笛離去時(shí)，汽笛的聲調(diào)變低，這是聲多普勒效應(yīng)所致，由于發(fā)射聲波的波源與觀測(cè)者之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致觀測(cè)者接收到的聲波頻率比聲源振動(dòng)的頻率增高或降低。設(shè)聲源的頻率為，聲波在媒質(zhì)中的速度為Ｖ，波長(zhǎng)＝Ｖ/。聲波在媒質(zhì)中傳播的速度與波源是否運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)，波一旦在媒質(zhì)中產(chǎn)生，就“忘記〞了自己的來(lái)源，總是以決定于媒質(zhì)特性的速度V來(lái)傳播，波的頻率數(shù)值等于每秒鐘通過(guò)媒質(zhì)中某一固定點(diǎn)的完整波形的數(shù)目，波源振動(dòng)頻率由波源本身結(jié)構(gòu)決定。如果波源和觀測(cè)者都靜止于媒質(zhì)中，當(dāng)然波源振動(dòng)頻率和波的頻率二者相等。但如果波源或觀測(cè)者在媒質(zhì)中運(yùn)動(dòng)，情況就不同了，下面分三種情況來(lái)討論它們的關(guān)系。設(shè)觀測(cè)者以速度υ朝著聲源的方向運(yùn)動(dòng)，此時(shí)，觀測(cè)者不是停在原地等待著一個(gè)個(gè)的波來(lái)“沖擊〞，而是迎上去拾取更多的波，也就是說(shuō)在這種情況下，波相對(duì)于觀測(cè)者的速度不再是Ｖ，而是V＋。于是觀測(cè)者在每秒鐘接收到的波長(zhǎng)數(shù)目，即接收到聲波的頻率為〔1〕聲源不動(dòng)，觀測(cè)者相對(duì)于媒質(zhì)以速度運(yùn)動(dòng)

這說(shuō)明，當(dāng)觀測(cè)者向著靜止的聲源運(yùn)動(dòng)時(shí)，接收到聲波頻率為聲源振動(dòng)頻率的〔１＋/Ｖ〕倍，故聽(tīng)到的音調(diào)變高。如果觀測(cè)者朝離開(kāi)波源的方向以的速度運(yùn)動(dòng)，此時(shí)，觀測(cè)者感到聲波以V一的速度通過(guò)他，于是每秒鐘接收到的波長(zhǎng)數(shù)目，即聲波的頻率為聲波的頻率低于聲源振動(dòng)的頻率，聽(tīng)到的音調(diào)變低?！?〕聲源Ｓ以速度ｕ相對(duì)于媒質(zhì)運(yùn)動(dòng)，觀測(cè)者Ｂ靜止于媒質(zhì)中假設(shè)聲源Ｓ相對(duì)于媒質(zhì)以ｕ速度向著觀測(cè)者運(yùn)動(dòng)，參照?qǐng)D５－１所示，波源在移動(dòng)過(guò)程中按自己的頻率振動(dòng)，它在一振動(dòng)周期T內(nèi)完成一次全振動(dòng)，并在媒質(zhì)中產(chǎn)生一個(gè)完整波形，即到達(dá)圖中Ｂ點(diǎn)，但在這段時(shí)間T內(nèi)波源的位置由Ｓ１移到Ｓ２，前進(jìn)了uT距離，于是這個(gè)波被“擠〞在Ｓ２、B之間，波長(zhǎng)“縮短〞為λˊ，λˊ＝λ－ｕＴ＝ＶＴ－ｕＴ＝〔Ｖ－ｕ〕Ｔ于是觀測(cè)者每秒鐘接收到聲波數(shù)目，即頻率為：

這說(shuō)明，聲源向著靜止的觀測(cè)者運(yùn)動(dòng)時(shí)，接收到的頻率為聲源振動(dòng)頻率的Ｖ/〔Ｖ－ｕ〕倍。聲源以ｕ速度離開(kāi)觀測(cè)者運(yùn)動(dòng)時(shí)，觀測(cè)者所接收到的聲波頻率為：接收到頻率低于聲源的振動(dòng)頻率，這就是高速火車(chē)?guó)Q笛而來(lái)汽笛音調(diào)變高，鳴笛離去時(shí)，音調(diào)變低的原因?！玻场陈曉磁c觀測(cè)者同時(shí)相對(duì)于媒質(zhì)運(yùn)動(dòng)，

聲源速度力ｕ，觀測(cè)者速度為綜合上述兩種情況，可得到觀測(cè)者接收到的聲源頻率為當(dāng)觀測(cè)者向著聲源運(yùn)動(dòng)時(shí)上式中

前取正號(hào)，離開(kāi)時(shí)取負(fù)號(hào)，聲源向著觀測(cè)者運(yùn)動(dòng)時(shí)ｕ前取負(fù)號(hào)，離開(kāi)時(shí)取正號(hào)。綜上所述，不管是聲源運(yùn)動(dòng)還是觀測(cè)者運(yùn)動(dòng),或是兩者同時(shí)運(yùn)動(dòng)，只要兩者互相接近接收到的聲波頻率就高于聲源的振動(dòng)頻率，兩者互相遠(yuǎn)離，接收到的聲波頻率低于聲源的振動(dòng)頻率。上面的討論是假設(shè)波源和觀測(cè)者的運(yùn)動(dòng)都發(fā)生在二者的連線上，如果運(yùn)動(dòng)方向不是在二者的連線上，分析說(shuō)明，波源或觀測(cè)者在垂直于連線方向的運(yùn)動(dòng)不影響接收的頻率，即聲學(xué)中沒(méi)有橫向多普勒效應(yīng)，只有波源和觀測(cè)者在連線方向上運(yùn)動(dòng)所引起的縱向多普勒效應(yīng)。故在一般的運(yùn)動(dòng)情況下仍可以用上面所得的多普勒效應(yīng)公式，但公式中的U、應(yīng)理解為在連線方向的分速度。聲波多普勒效應(yīng)應(yīng)用實(shí)例多普勒效應(yīng)在日常生活中不難覺(jué)察，許多動(dòng)物，如蛹幅和一些鳥(niǎo)類(lèi)都能用回聲定位法來(lái)捕捉昆蟲(chóng)。它們能在黑暗的空中捕食昆蟲(chóng)，不是靠其視覺(jué)，也不是其嗅覺(jué)，而靠其特別靈敏的聽(tīng)覺(jué)，它們?cè)诳罩酗w行時(shí)，口中發(fā)出一定率的超聲脈沖。當(dāng)遇到昆蟲(chóng)時(shí)，產(chǎn)生回聲，探測(cè)來(lái)自昆蟲(chóng)的回聲，利用多普勒偏移就能確定昆蟲(chóng)離它的距離及飛行的速度。除了偏蝎和烏類(lèi)能用回聲定位法來(lái)捕捉昆蟲(chóng)外，還有許多其它動(dòng)物，如鯨魚(yú)、海豹、海豚等，都能發(fā)出一定頻率的聲波，利用接收到的回聲來(lái)捕食或與同類(lèi)之間相互聯(lián)系。目前應(yīng)用多普勒效應(yīng)原理給盲入制造了“探路儀〞，雷達(dá)也是應(yīng)用多普勒效應(yīng)原理，不過(guò)發(fā)射和接收的不是聲波而是電磁波。〔二〕光多普勒效應(yīng)

當(dāng)光源和接收器之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，接收器感受到的光波頻率不等于光源的頻率，這就是光學(xué)的多普勒效應(yīng)或電磁波的多普勒效應(yīng)。

光多普勒效應(yīng)和聲多普勒效應(yīng)二者有本質(zhì)上的區(qū)別。聲是媒質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)狀態(tài)的傳播，離開(kāi)媒質(zhì)就談不到聲，聲的多普勒效應(yīng),公式的聲速Ｖ，波源速度ｕ和觀測(cè)者速度都是相對(duì)于媒質(zhì)的速度。但是，光的傳播不依賴(lài)彈性媒質(zhì)。對(duì)任何慣性系，光在真空中的傳播速度相同。所以，當(dāng)討論光在真空中傳潘時(shí)，“光源向著接收器運(yùn)動(dòng)〞和“接收器向著光源運(yùn)動(dòng)〞在物理上是完全等同的，因此，起作用的運(yùn)動(dòng)速度是光源和接收器之間的相對(duì)速度。下面按狹義相對(duì)論的觀點(diǎn)對(duì)光多普勒效應(yīng)進(jìn)行分析

參照?qǐng)D５－２，接收器Ｒ固定在慣性坐標(biāo)系K中的O點(diǎn)，單色光源Ｓ固定在另一個(gè)慣性坐標(biāo)系Ｋ

中，Ｋ

系相對(duì)于Ｋ系沿Ｘ軸以速度ｕ運(yùn)動(dòng)，光源Ｓ位于Ｙ軸上某點(diǎn)，速度ｕ和接收器Ｒ到光源Ｓ的連線夾角為

，而

角會(huì)隨時(shí)間的改變而變化。相對(duì)Ｋ

系靜止的光源從Ｋ

系的ｔ

１時(shí)刻開(kāi)始發(fā)出一列光波，這個(gè)波列發(fā)射的截止時(shí)刻為t

2，于是在K

系中此波列發(fā)射時(shí)間為(t

２－t

1)，在這段時(shí)間內(nèi)發(fā)射的波長(zhǎng)個(gè)數(shù)為Ｎ,即光源的頻率為：在接收器坐標(biāo)系Ｋ中來(lái)看，此波列發(fā)射始于ｔ1時(shí)刻，相應(yīng)這一時(shí)刻光源位于Ｓ1處。此擾動(dòng)以光速Ｃ向接收器傳過(guò)來(lái)，傳到接收器要用一斷時(shí)間r1／Ｃ，所以接收到這個(gè)擾動(dòng)的時(shí)刻是：

＝ｔ１＋ｒ１/C

Ｓ＝Ｎ/(t

２－t

1)光學(xué)多普勒效應(yīng)在Ｋ系中來(lái)看，該波列發(fā)射截止于t2時(shí)刻，相應(yīng)這一時(shí)刻光源位于圖中Ｓ2處從t1到t2這段時(shí)間內(nèi)光源沿X軸方向移動(dòng)了u(t2一t1)距離。設(shè)〔t２－t1〕很小，即(t２一t1)很小,以致這短時(shí)間內(nèi)角根本上不變。因此：ｒ２＝ｒ１＋ｕ〔ｔ２－ｔ１〕ｃｏｓt2時(shí)刻光源發(fā)出的擾動(dòng)傳到接收器R的時(shí)刻為接收到到這Ｎ個(gè)波共用的時(shí)間為

根據(jù)時(shí)間的相對(duì)性

接收器測(cè)得的頻率為：而光學(xué)多普勒效應(yīng)而：

Ｓ＝Ｎ/(t

２－t

1)，故得：

這就是光學(xué)多普勒效應(yīng)公式，式中的ｕ是光源和接收器之間相對(duì)速度的絕對(duì)值，ｕｃｏｓ是光源速度ｕ在視線方向上的投影。如果相對(duì)運(yùn)動(dòng)發(fā)生在接收器和光源的連線上，那么上述光源速度ｕ和視線方向同向平行或反向平行，ｃｏｓ＝１(光源離開(kāi)接收器時(shí)ｃｏｓ＝1，光源接近接收器時(shí)ｃｏｓ＝一1)。在這種情況下，上面的多普勒效應(yīng)公式化簡(jiǎn)為：

這種特殊情況下的多普勒效應(yīng)稱(chēng)為縱向多普勒效應(yīng)，注意縱向效應(yīng)公式中的相對(duì)速度ｕ可正可負(fù)，光源和接收器互相離開(kāi)時(shí)ｕ為正值，互相接近時(shí)ｕ為負(fù)值。這說(shuō)明，當(dāng)接收器與光源互相接近時(shí)，接收器接收到的光的頻率r，大于光源發(fā)光頻率Ｓ，而當(dāng)接收器與光源互相離開(kāi)時(shí)，接收器接收到的光頻率r，小于光源發(fā)光的頻率Ｓ。多普勒效應(yīng)如果光源和接收器的相對(duì)速度ｕ垂直于連線方向，那么式中cos＝0，多普勒效應(yīng)公式簡(jiǎn)化為：在這種特殊情形下發(fā)生頻移的現(xiàn)象稱(chēng)為橫向多普勒效應(yīng)〔在聲學(xué)中不存在橫向多普勒效應(yīng)〕。當(dāng)ｕ/C很小時(shí)，橫向效應(yīng)式可近似為：此式與縱向效應(yīng)公式〔５－３〕比較，可知同樣以值下橫向效應(yīng)的頻移〔ＲＳ比縱向效應(yīng)的頻移小得多，一般實(shí)驗(yàn)中很難覺(jué)察橫向效應(yīng)。多普勒效應(yīng)的應(yīng)用多普勒效應(yīng)在近代科學(xué)技術(shù)中有著廣泛應(yīng)用。多普勒效應(yīng)常用于測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體視線速度，例如雷達(dá)向飛機(jī)發(fā)射頻率的電磁波并接收回波，由回波與發(fā)射波頻率之差可定出飛機(jī)以多大的速度接近雷達(dá)。同理，可用微波監(jiān)測(cè)來(lái)往汽車(chē)的行駛速度，觀測(cè)人造衛(wèi)星發(fā)射的電磁波的頻率變化，可以判斷衛(wèi)星的運(yùn)行情況且測(cè)量來(lái)自星體的光的多普勒頻移可確定星體自轉(zhuǎn)和運(yùn)動(dòng)的速度，交通管理，醫(yī)療衛(wèi)生等等。多普勒效應(yīng)激光流速儀利用多普勒效應(yīng)原理研制的“激光流速儀〞可以測(cè)量氣體、液體的流速，可以測(cè)量人體中的血流速度，該儀器的根本原理如圖５－３所示。從激光器Ｌ發(fā)出的單色光束，經(jīng)分光板A，一局部被反射到流體中的0處，另一局部透過(guò)分光板后再由反射板反射到0處。這兩束光都在流經(jīng)0處的雜質(zhì)微粒上發(fā)生散射〔有時(shí)需在流體中入為摻入某種細(xì)小雜質(zhì)〕。散射時(shí)運(yùn)動(dòng)的微粒0先作為“接收器〞感受到入射光，由于隨流體一起在運(yùn)動(dòng)，所以，它接收的頻率不等于激光器頻率Ｓ。然后粒子以“接收〞頻率發(fā)出散射光，第一路入射光Ａ０和流體速度分量ｕｃｏｓ１方向相同，而第二路光Ｂ０和流體速度分量ｕｃｏｓ２方向相反〔如圖５－３〔ｂ〕，〔ｃ〕所示〕，所以?xún)煞N散射光的多普勒頻移是不同的，其頻率分別為１、和２。

流速頻率相近的兩散射光在探惻器上相互作用而產(chǎn)生拍現(xiàn)象。光電探測(cè)器測(cè)出每秒鐘光強(qiáng)變化頻率，即拍頻。、ｎ、，于是就可測(cè)出流速ｕ，這一測(cè)量方法是非接觸式的，不影響流體流動(dòng)的情況，激光流速儀的精度高，測(cè)量范圍大，而且可以逐點(diǎn)測(cè)出瞬時(shí)流速，是研究流體力學(xué)問(wèn)題的有力工具。多普勒效應(yīng)激光流速儀應(yīng)用縱向多普勒效應(yīng)公式〔5-3〕,由于u／C非常小，只取級(jí)數(shù)展開(kāi)式的頭二項(xiàng)，即得：ｒ＝〔１－ｕ/C)s再把上式中光速Ｃ換成流體中光速，

＝Ｃ/ｎ，式中ｕ換成縱向分量ｕcos

１和－ｕcos

２，即得用光電探測(cè)器Ｄ接收ＯＤ方向的散射光，由于ＯＤ垂直于流速ｕ，微粒散射的頻率為１、２的光對(duì)探測(cè)器Ｄ不再發(fā)生多普勒頻移〔不考慮橫向效應(yīng)〕。探測(cè)器接收到的兩束散射光頻率之差為因＝Ｃ/n，而C＝Ｓ〔激光真空中波長(zhǎng)〕，假設(shè)１＝２＝，那么得多普勒效應(yīng)的應(yīng)用激光多普勒技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成功地用于研究風(fēng)洞里的速度分布。由于該技術(shù)的空間分辯率高，并且具有跟蹤快速速度脈動(dòng)的能力，使它成為研究湍流的重要手段。已經(jīng)對(duì)水流做了許多詳細(xì)的研究，在水中一般有足夠的粒子，即使不用人工添加粒子，也可以提供連續(xù)的多普勒信號(hào)。利用該技術(shù)還可以遠(yuǎn)距離測(cè)量風(fēng)速，在這種情況下用其它技術(shù)無(wú)法完成。這種測(cè)量對(duì)于機(jī)場(chǎng)是很重要的，它可測(cè)量空中任意高度處的風(fēng)速，也可以監(jiān)視飛機(jī)著陸前后機(jī)場(chǎng)上存在的湍流。利用多普勒技術(shù)還可以測(cè)量人的視網(wǎng)膜血管內(nèi)血流的速度。把直徑約為２００ｍ的聚焦激光點(diǎn)照到血液里，會(huì)聚來(lái)自血管內(nèi)血液的散射光，從血管壁上產(chǎn)生的散射光可做為光學(xué)差頻的參考光。用１Ｗ的氦氖激光器發(fā)出的光就可以測(cè)量。另外這項(xiàng)技術(shù)可廣泛地用于工業(yè)流程里的非接觸速度測(cè)量。例如，紡紗和人造纖維抽絲過(guò)程中測(cè)量纖維的速度，測(cè)量薄綱板、鋁板、塑料板或紙板在擠壓或卷曲時(shí)的速度。激光多普勒技術(shù)已經(jīng)為速度測(cè)量開(kāi)創(chuàng)了一個(gè)新的大地，在流體力學(xué)和其他領(lǐng)域中，它的價(jià)值是不可限量的。第２節(jié)薩甘納克〔Ｓａｇｎａｃ〕效應(yīng)光沿環(huán)形路徑行進(jìn)。由于轉(zhuǎn)動(dòng)引起光程差的現(xiàn)象稱(chēng)為薩甘納克效應(yīng)。這種現(xiàn)象是由GeorgesMarcMarieSagnac于1913年首次發(fā)現(xiàn)的。如圖５－４所示，光沿一個(gè)半徑為Ｒ的圓環(huán)形路徑行進(jìn)周所需要的時(shí)間取決于該路徑是靜止不動(dòng)還是轉(zhuǎn)動(dòng)。假設(shè)一觀察者站在一靜止的圓圈內(nèi)，發(fā)射一光脈沖，該脈沖分成兩半，分別沿相反方向繞圓環(huán)傳播〔圖5-4〔ａ〕〕，在這種情況下，由于圓環(huán)不轉(zhuǎn)動(dòng)，這兩個(gè)“脈沖〞會(huì)同時(shí)返回到它們的起始點(diǎn)A〔觀察者〕其時(shí)間差與該圓環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度成正比。光脈沖運(yùn)行一周的時(shí)間差是由于其光程差而引起的，反時(shí)針脈沖比順時(shí)針脈沖傳播的路徑要長(zhǎng)，兩者的光程差為：

但如果圓環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)，朝反時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，在這種情況下，觀察者將靠近沿順時(shí)針?lè)较蛞苿?dòng)的脈沖，而遠(yuǎn)離沿反時(shí)針?lè)较騻鞑サ拿}沖，顯然接收到這兩個(gè)脈沖的時(shí)間不相同。參照?qǐng)D５－４〔ｂ〕，假設(shè)圓環(huán)相對(duì)慣性空間靜止時(shí)，在ｔ＝O時(shí)刻，從A點(diǎn)發(fā)出光脈沖在ｔ＝Ｌ/Ｃ時(shí)刻回到Ａ點(diǎn)〔Ｌ＝２Ｒ，Ｃ為光速〕。薩甘納克〔Ｓａｇｎａｃ〕效應(yīng)當(dāng)系統(tǒng)以角速度

相對(duì)慣性空間反時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，從Ａ點(diǎn)發(fā)出的那兩個(gè)光脈沖到達(dá)Ａ

點(diǎn)的時(shí)間差為：因光速Ｃ

Ｒ

，故

式中Ｓ是圓環(huán)所圍的面積這種由于轉(zhuǎn)動(dòng)引起的光程差現(xiàn)象就是薩甘納克效應(yīng)。

相位差為：式中

為真空中光的波長(zhǎng)。薩甘納克〔Ｓａｇｎａｃ〕效應(yīng)可以證明，上面所得的結(jié)果

ｔ＝４Ｓ/C2

，適合于任意形狀的光路，參照?qǐng)D５－５，圖中所示的是任意形狀的光路，光路系統(tǒng)繞通過(guò)0點(diǎn)垂直于該光路所圍的平面的軸，以

角速度作逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。設(shè)從A點(diǎn)發(fā)出的光脈沖反時(shí)針?lè)较蜓毓饴沸羞M(jìn)ｄＬ的行程所需的時(shí)間為：因C

，故式中

為光學(xué)系統(tǒng)A點(diǎn)的線速度。

同理可求得順時(shí)針?lè)较虻墓饷}沖繞光路一周所需時(shí)間為

：那么反時(shí)針光脈沖繞光路一周時(shí)間為：二者時(shí)間差為：薩甘納克效應(yīng)的一個(gè)重要應(yīng)用是構(gòu)造光學(xué)陀螺儀和光纖陀螺儀，大有取代早先在飛機(jī)和飛行器中使用的機(jī)械陀螺儀的趨勢(shì)。機(jī)械陀螺儀有一個(gè)重要特性，無(wú)論航行器以什么樣的姿式飛行，它能在空間保持自己轉(zhuǎn)軸方向不變，當(dāng)飛行器的方向發(fā)生變化時(shí)，陀螺儀就會(huì)感知這個(gè)變化，并通過(guò)相應(yīng)的傳感器發(fā)出信號(hào)，以確定飛行器的姿態(tài)、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角。

激光陀螺儀的光路如圖５－６所示，它是一個(gè)充滿(mǎn)工作物質(zhì)的環(huán)行激光器，其內(nèi)形成兩類(lèi)反向行進(jìn)的激光束，激光陀螺儀固定不動(dòng)時(shí)，順時(shí)針和逆時(shí)針運(yùn)行的兩束光之間無(wú)光程差或頻率差；當(dāng)激光陀螺儀有轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，兩束光之間出現(xiàn)相位差或頻率差，轉(zhuǎn)速越快，其差越大，通過(guò)兩束光的頻差檢測(cè)可得知轉(zhuǎn)速

和轉(zhuǎn)角。光學(xué)陀螺儀和光纖陀螺儀

如果把三個(gè)激光陀螺儀安裝在飛機(jī)上，分別固定在三個(gè)互相垂直的平面上，就能隨時(shí)指示飛機(jī)在東西、南北豎直平面以及水平面上轉(zhuǎn)過(guò)的角度或轉(zhuǎn)速，以確定飛機(jī)飛行的姿態(tài)。

第三節(jié)聲光效應(yīng)聲波，特別是超聲波在物質(zhì)中傳播會(huì)引起光的傳播特性的變化，這些現(xiàn)象統(tǒng)稱(chēng)為聲光效應(yīng)。這是因?yàn)槁暡ㄊ俏镔|(zhì)中激起的密度的疏密波或應(yīng)力波，物質(zhì)密度或應(yīng)力的變化引起物質(zhì)的折射率的變化，聲波的空間周期性，必然造成物質(zhì)中折射率的周期性，有聲波在其中傳播的物質(zhì)，對(duì)光來(lái)說(shuō)，宛如一個(gè)折射率光柵，，光遇到這種光柵自然會(huì)引起衍射現(xiàn)象。光被彈性聲波衍射有兩種類(lèi)型：當(dāng)超聲波頻率較高時(shí)，產(chǎn)生布拉格型衍射；當(dāng)超聲波頻率較低時(shí)，產(chǎn)生喇曼－－奈斯型衍射。聲光效應(yīng)Bragg衍射與Raman－Nath衍射二者在衍射形式上存在差異，前者相當(dāng)體光柵情況,后者相當(dāng)薄光柵情況。如圖5-7所示,衍射光只存在1級(jí)，當(dāng)聲波為聲行波時(shí)，只有正1級(jí)或負(fù)1級(jí)。當(dāng)為聲駐波時(shí)，±1級(jí)同時(shí)存在，而且衍射效率極高，只要超聲功率足夠高，可以到達(dá)100％的衍射效率。對(duì)布拉格型衍射，入射光滿(mǎn)足Bragg條件:2sSinθ＝/n〔5-9〕式中，s分別為光波和聲波的波長(zhǎng)，媒質(zhì)折射率為n。而Raman-Nath衍射形式，衍射為m級(jí)，當(dāng)滿(mǎn)足以下關(guān)系的方位：sinθ＝±m(xù)/s出現(xiàn)衍射極大。聲光效應(yīng)Raman-Nath衍射效率低于Bragg衍射，其中1級(jí)衍射效率I1／I2最大不超過(guò)35%，但這種衍射沒(méi)有Bragg條件限制：所以對(duì)入射角要求不嚴(yán)格，調(diào)整方便。下面用光和聲的波粒二象性來(lái)說(shuō)明聲波對(duì)光產(chǎn)生布拉格衍射的特性。一束波矢為k頻率為ω的光束可視為由動(dòng)量?k、能量為?ω的光量子所組成的粒子流，類(lèi)似把聲波看作是由動(dòng)量?ks，能量為?ωs的聲子所組成的粒子流。光被聲束衍射這一現(xiàn)象可以認(rèn)為是光子與聲子的碰撞，參照?qǐng)D5-8，每碰撞一次都意味著一個(gè)入射光子〔ωi〕和一個(gè)聲子〔ωs〕的湮滅，同時(shí)沿著衍射光的傳播方向產(chǎn)生一個(gè)頻率為ωd＝ωi+ωs的新光子。由動(dòng)量守恒，碰撞前粒子的動(dòng)量?〔ki＋ks〕等于散射光子的動(dòng)量?kd，即?kd＝?〔ki＋ks〕得：kd＝ki＋ks，〔5-11〕由能量守恒得：ωd＝ωi+ωs 由上式可知，衍射光束的頻率變化正好等于聲波頻率，因?yàn)樯厦娴南嗷プ饔蒙婕耙粋€(gè)聲子的湮滅，能量守恒條件要求頻率的移動(dòng)一定滿(mǎn)足ωｄ>ωｉ聲子的能量加上湮滅掉的光子能量構(gòu)成了新的光子。假設(shè)聲波傳播方向與圖5-8中所示的方向反向，同理可以證明，這時(shí)可以看成是入射光子被湮沒(méi)。同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)新的衍射光子和一個(gè)新的聲子，此時(shí)由能量守恒得：ωd＝ωi－ωS聲光效應(yīng)可以證明式〔5-11〕的動(dòng)量守恒和Bragg衍射條件式(5-9)是等價(jià)的。圖５－８Bragg衍射的粒子圖象ω

S

運(yùn)動(dòng)聲波波前θθθ入射光束衍射光束θ

θAB

ωdωiω

i＋ω

s可見(jiàn)Bragg衍射條件是動(dòng)量守恒這一普遍規(guī)律的表現(xiàn)。由于Bragg衍射的效率遠(yuǎn)高于Raman-Nath衍射的效率，因此聲光器件多采用Bragg衍射的形式。當(dāng)輸入聲功率是交變信號(hào)時(shí),輸出衍射光強(qiáng)也隨之改變,即實(shí)現(xiàn)了聲光調(diào)制。由于聲光效應(yīng)提供了控制光束頻率、強(qiáng)度以及方向的有力手段,所以它已廣泛地應(yīng)用于信息處理、鎖模技術(shù)等方面。為了證明這一點(diǎn)，可參照?qǐng)D5-9,因?yàn)槿藗兏信d趣的聲頻是低于1010Hz，而光頻通常高于1013Hz。θθｋｄｋｉｋｓ圖５－９動(dòng)量守恒關(guān)系所以有ωd＝ωi＋ωSi

因此ｋｄ＝ｋｉ＝ｋ由圖5-9可知，聲波波矢的大小為ｋｓ＝２ｋｓｉｎ利用ｋｓ＝２/s,k＝２ｎ/那么：２sｓｉｎ＝/ｎ聲光調(diào)制和聲光偏轉(zhuǎn)

聲光效應(yīng)的重要應(yīng)用是聲光調(diào)制和聲光偏轉(zhuǎn)。利用衍射光的強(qiáng)度隨超聲波強(qiáng)度改變的性質(zhì)可以制作光強(qiáng)度調(diào)制器，而利用衍射光頻移的特性可以產(chǎn)生調(diào)頻光。圖5-10是簡(jiǎn)單的Raman－Nath型光調(diào)制器的示意圖。當(dāng)聲波振幅隨輸入訊號(hào)改變時(shí)，各級(jí)衍射光束的強(qiáng)度隨之發(fā)生相對(duì)變化，取某一個(gè)衍射光束作為輸出，就得到光調(diào)制的效果。使待調(diào)制的光束通過(guò)一個(gè)超聲波波束，調(diào)制訊號(hào)對(duì)聲波進(jìn)行振幅調(diào)制，未被調(diào)制的聲波是一個(gè)簡(jiǎn)單的簡(jiǎn)諧波，它使介質(zhì)的折射率產(chǎn)生一個(gè)光柵式的改變，此時(shí)給出未被調(diào)制的諸級(jí)衍射光束。由于入射光束有一定寬度并且聲波在介質(zhì)中是以有限的速度傳播的，因此聲波跨過(guò)光束需要一定的渡越時(shí)間。而光束的強(qiáng)度變化對(duì)于聲波的強(qiáng)度變化的響應(yīng)將不可能是即時(shí)的。這樣對(duì)于一個(gè)聲光調(diào)制器來(lái)說(shuō)，調(diào)制訊號(hào)頻率就必然有一個(gè)上限，也就是實(shí)際的調(diào)制器只適用于一個(gè)有限的帶寬。要提高這個(gè)調(diào)制頻率的上限就應(yīng)該減小光束寬度。其次，必須使衍射光束從直接透射光束別離出來(lái)，因此衍射角必須大于光束的發(fā)散角。由衍射的Bragg條件可以看出，如果其它條件保持不變，那么要增大衍射角就必須提高聲波載波頻率；上面兩點(diǎn)都要求使用頻率較高的超聲波。一般認(rèn)為在Bragg范疇內(nèi)，即在２Ｌ/Ｓ２１情況下工作比較有利，可以得到足夠大的帶寬與效率的乘積數(shù)值。因此多傾向于采用Bragg型光調(diào)制器。如圖5-11所示，圖中有頻率分別為

１、

２、

３的三個(gè)模，它們?cè)冢?、ｂ、ｃ處相依相同，三波疊加，在此產(chǎn)生光脈沖。

聲光效應(yīng)在激光器鎖模技術(shù)中的應(yīng)用

聲光效應(yīng)還可被用于激光器的鎖模技術(shù)和調(diào)Ｑ技術(shù)。所謂鎖模，就是采用適當(dāng)?shù)姆椒ㄊ辜す馐械母鱾€(gè)振蕩模式之間有相同的位相，同相疊加而產(chǎn)生超短脈沖，圖5-11鎖模從上式可見(jiàn)，相鄰兩駐波頻率相差的數(shù)值相同，均為C/２Ｌ。上式中每一種頻率的光稱(chēng)為一個(gè)模，由于各模之間不僅頻率不同，相位也不同，如果能保持確定的相位關(guān)系〔鎖模〕．就能使用某些不同頻率的光在某些時(shí)刻處于同相，疊加而產(chǎn)生尖窄脈沖，用鎖模技術(shù)產(chǎn)生的光脈沖可窄到10-13秒。任何激光器都有一個(gè)諧振腔，對(duì)于腔長(zhǎng)為Ｌ的諧振腔，只有波長(zhǎng)滿(mǎn)足ｋ＝２Ｌ/ｋ〔ｋ＝１，２，３，……〕或頻率滿(mǎn)足：ｋ＝ｋＣ/２Ｌ的光波才能形成駐波，式中C為光速。激光器鎖模的方法很多，一般可分為自鎖模和強(qiáng)迫鎖模兩大類(lèi)。由激光器工作物質(zhì)本身的非線性效應(yīng)使得各振蕩模之間保持一個(gè)固定的位相關(guān)系，這就是所謂自鎖模效應(yīng)；另一類(lèi)方法是借助于某種外加的微擾對(duì)激光器腔內(nèi)的輻射進(jìn)行調(diào)相，到達(dá)將各個(gè)模聯(lián)系起來(lái)的目的，這就是所謂強(qiáng)迫鎖模。聲光效應(yīng)用來(lái)鎖模屬于強(qiáng)迫鎖模方法。圖５－１２聲光調(diào)制的ＹＡＧ激光器在實(shí)驗(yàn)上首次實(shí)現(xiàn)鎖模是在1964年，是借助于同步腔內(nèi)調(diào)制，對(duì)He－Ne激光器的6328?波長(zhǎng)輸出進(jìn)行強(qiáng)迫鎖模。圖5-12是鎖模激光裝置的示意圖：A是激光工作物質(zhì)，R1、R2為反射鏡，M為聲光調(diào)制器，聲光調(diào)制器加上頻率為

的調(diào)制信號(hào)，其頻率嚴(yán)格滿(mǎn)足：

＝Ｃ/２ＬＬ為腔內(nèi)單程所對(duì)應(yīng)的光程L＝Ｌ１十ｎＭL２十L３＋ｎＡL４十L５式中ｎＭ為聲光介質(zhì)M的折射率,ｎＡ為激光工作物質(zhì)的折射率,此時(shí)激光器輸出為一系列等時(shí)間間隔脈沖。聲光效應(yīng)在激光器調(diào)Ｑ技術(shù)中的應(yīng)用聲光效應(yīng)還可以應(yīng)用于激光器的調(diào)Ｑ技術(shù)，