能由外加超声波(机械波)通过弹光效应在材料中产生声致非线性极化的现象称为声光效应。通过声光效应可实现光波和声波的参量互作用,使光波的方向、强度、频率和相位受超声波控制。
声光材料
具有声光效应的光学功能材料。
- 英文名称
- acousto-optic materials
- 所属学科
- 材料科学与工程
几乎所有透明材料都具有声光效应,但实际应用中好的声光材料并不多。通常对声光材料的性能要求如下。
①高的声光衍射品质因子。声光优值指数M1、M2、M3是反映声光材料衍射效率的最直接指标。它们与材料的弹光系数、折射率、声速和密度等性能有关。各种材料的弹光系数值在0.1~0.3。含有孤对电子的阳离子化合物,如碘酸(α-HIO3)和钼酸铅(PM)等晶体,以及有大的机电耦合系数的电光晶体(因为电光效应对光弹效应的贡献),其弹光系数值可增加到0.4左右。好的声光材料都具有高的折射率。材料的声速与M1和M2的二次或三次方成反比,纯水有高的声光优值指数,原因是声速特别小。声速随材料的键强度减弱而减小,从而引起大的M值,但由此也带来声光衰减增大、渡越时间增大、带宽受限制等不良影响。声光效应由于弹性劲度系数的各向异性而呈现强的各向异性。氧化碲(TeO2)切变波沿[110]方向传播声速比其他材料要小一个数量级,使这一横波的M值很高。
②低的光学和声学损耗。光学和声光损耗一方面降低声光互作用效率,另一方面产生材料升温和热梯度,造成材料性能变坏。超声衰减系数与声带宽平方成正比,它限制了声光器件的带宽,从而也限制了可分辨衍射光点数的提高。根据“声子黏滞”模型,超声衰减系数与热导率成正比,而与声速成反比。因此,材料的声速应作兼顾衍射效率和超声衰减的折中考虑。
③热学性质。声光材料一般都有可观的声损耗,特别是一些高频使用场合,它产生材料中温升,温升又导致更大的损耗。采用热导率高的材料,会由于“声子黏滞”效应引起更大声损耗。因而,解决高频声光器件热效应的最好办法,是采用有效的散热措施,同时选用声速和折射率的温度系数较低的材料。
获得实际应用的声光材料分为两类:一类是光学各向同性声光材料,这是最易获得、从而也是最早被研究的声光材料。包括水、各种熔石英、硫化砷(As2S3)玻璃、重火石(SF-4,SF-59)玻璃和声光塑料(聚苯乙烯有机玻璃)等。另一类是声光晶体材料。包括立方的钇铝石榴石(YAG)晶体、锗酸铋(BGO)和硅酸铋(BSO)晶体,三方的铌酸锂(LN)和钽酸锂(LT)晶体,六方的蓝宝石,四方的PM、TeO和氯化汞(Hg2Cl2)晶体,正交晶系的α-HIO3和溴化铅(PbBr)晶体,以及硫化砷铊(TAS)、硫化砷银(Ag3AsS3)、碲(Te)和锗(Ge)等半导体晶体(见声光晶体)。
声光材料可用于制作声光偏转器、声光强度(或频率)调制器和声光滤波器,以及低功耗的声表面波声光器件。