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)