聲光調製

介質光學性質的變化，不僅可以通過外加電場的作用來實現，外力的作用也能引起折射率的改變。這種由於外力作用而引起介質光學性質變化的現象稱為光彈效應。機械波是一種彈性波（縱向應力波），在介質中傳播時，它使介質產生相應的彈性形變，從而介質中各質點沿機械波傳播方向，引起介質的密度呈疏密相間的交替變化，使得介質的折射率也發生相應的週期性變化。由於機械波的作用而引起介質光學性質變化的現象，是光彈效應的一種。進一步研究表明，波場所引起的介質折射率在波矢方向上的週期性變化，實際上等效於一個光學的“相位光柵”，該光柵間距（光柵常數）等於機械波波長λ。當光波通過這種光柵時，相對於入射光而言，衍射光的強度、頻率、方向等隨着波場的變化而變化。 ^[3] 

機械波在介質中傳播分為行波和駐波兩種形式。如右圖所示為某一瞬間行波的情況，其中深色部分表示介質受到壓縮，密度增大，相應的折射率也增大，而淺色部分表示介質密度減小，相應的折射率也減小。在行波場的作用下，介質折射率的增大或減小交替變化，並以機械波速v_s（一般為10³m/s量級）向前推進。由於機械波速僅為光速的數十萬分之一，所以對光波來説，運動的“機械波光柵”可看作是靜止的。 ^[3] 

設機械波的角頻率為ω_s，波矢k_s=2π/λ_s，則沿x方向傳播的機械波行波方程為 ^[3] 

式中：a（x，t）為介質質點的瞬時位移；A為質點位移的振幅。可近似地認為，介質折射率的變化正比於介質質點沿x方向位移的變化率，即 ^[3] 

則機械波為行波時的介質折射率為 ^[3] 

式中：S為機械波引起介質產生的應變；P為材料的彈光係數。 ^[3] 

機械波駐波是由波長、振幅和相位相同，傳播方向相反的兩束機械波疊加而成，如右圖所示，機械波駐波方程為 ^[3] 

上式表明：機械波駐波的振幅在x軸上各點是週期性變化的，而相位在各點均不同，不隨空間位置而變化。在x=2nλ_s/4（n=0，1，2…）各點上駐波的振幅極大（等於2A），這些點稱為波腹，波腹間的距離為λ_s/2。在x=（2n+1）λ_s/4的各點上，駐波的振幅為0，這些點稱為波節，波節之間的距離也是λ_s/2。由於機械波駐波的波腹和波節在介質中的位置時固定的，因此形成的光柵在空間上也是固定的。機械波駐波形成的折射率變化為 ^[3] 

機械波在一個週期內，介質兩次出現疏密層，且在波節處密度保持不變，因而折射率每隔半個週期（T_s/2）就在波腹處變化一次，由極大（或極小）變為極小（或極大）。在兩次變化的某一瞬間介質各部分的折射率相同，相當於一個沒有機械波場作用的均勻介質。若機械波場頻率為f_s，那麼光柵出現和消失的次數則為2f_s，因此光波通過該介質後所得到的調製光的調製頻率為機械波頻率的2倍。 ^[3] 

無論是機械波行波還是機械波駐波，介質折射率分佈的特點都是疏密相同的。但機械波行波所形成最大週期值等於機械波波長λ_s，且在不斷向前移動。機械波駐波所形成的波腹（或波節）之間的空間距離為λ_s/2，且位置時固定不動的，這種疏密相間的結構導致了折射率的起伏。如果光以與機械波傳播方向有一定角度入射到介質上，在通過介質時就會與機械波發生相互作用，類似於光波通過光柵。 ^[3] 

按照機械波波長的長短以及機械波和光波作用長度的不同，相互作用分為拉曼-奈斯（Raman-Nath）衍射和布拉格衍射兩種類型。 ^[3] 

1.拉曼-奈斯衍射當機械波波長較長，光波平行於機械波面入射（即垂直於波場傳播方向），相互作用長度L較短時，由於機械波速比光速小得多，故介質可視為一個靜止的平面相位光柵。而且機械波波長λ，比光波波長λ大得多，當光波平行通過介質時，幾乎不通過機械波面，因此只受到相位調製。即通過光密部分的光波波陣面將延遲，而通過光疏部分的光波波陣面將超前，於是通過介質的平面波波陣面出現凹凸現象，變成一個折皺曲面，如右圖所示。由出射波陣面上各子波源發出的次波將發生相干作用，形成與入射方向對稱分佈的多級衍射光，這就是拉曼一奈斯衍射。 ^[3] 

2.布拉格衍射

當機械波波長較短，作用長度L較大，而且光束與機械波波面間以一定的角度斜入射時光波在介質中要穿過多個機械波面，入射光在波柱中不再沿直線傳播，這時入射光既要受到相位調製，又要受到振幅調製，這樣機械波介質具有“體光柵”的特性。當入射光與機械波面間夾角滿足一定條件時，介質內各級衍射光會相互干涉，各高級次衍射光將互相抵消，僅出現0級和1級（或-1級，視入射光的方向而定）衍射光，即產生布拉格衍射，如右圖所示。因此，利用布拉格衍射效應制成的器件可以獲得較高的效率。判別拉曼-奈斯衍射與布拉格衍射的經驗公式為:機械波束的寬度以L₀≈nλ_s²/4λ₀為界，當L<L₀時為拉曼-奈斯衍射，L>L₀為布拉格衍射。 ^[3] 

當激光光束進入調製器後，如果入射角滿足布拉格衍射條件，即入角等於布拉格角時，通過調製器後的激光束將產生一級光衍射。但這裏有一個前提，此必須在換能器上加入超高頻電壓，使介質內產生機械波，否則衍射是不存在的，當然也不存在一級光了。因此，可利用換能器上機械波電壓來控制一級衍射光。這樣就可以實電一光的轉換，即由調製器的開關進行調製。這種轉換與激光技術相結合，可以用於各種測試、控制、輸出設備及儀器中。 ^[1] 

利用調製可以實現超快超準的激光打印，利用高頻驅動電路可以產生高頻電振盪，通過換能器形成機械波，通過快速控制波實現器件調製激光束的目的。改變高頻電振盪的頻率，機械波的波長也隨之變化。光打印機中，高頻正弦波信號發生器分別產生9個不同頻率的高頻電振盪送到相加電路，經過功率放大後，加到換能器使器件內形成光柵，從而使一束入射光衍射為9束光，大大加快了信號的傳輸速率。如右圖所示，經調製後的9束衍射光，由轉動的多稜鏡反射到轉動的感光鼓上，完成曝光過程;對於掃描時的誤差，則由光傳導棒進行監測修正。其原理是:器件出來零級光經過轉動多稜鏡沿光傳導棒掃描，光傳導棒上刻有與字符間距相應的刻線，當零級光照射到刻線時，光束在刻痕處產生散射，由於光傳導效應，散射光將被送到棒的兩端，照射光件。當零級光照射在無刻線處時，光線透過棒，棒內無散射光，此時棒的兩端無光，光電元件不受光照。通過這種光電元件受光作用所產生的信號作為同步信號，用來控制高頻正弦信號發生器的起停，從而保證縱向間距一致，消除各種因素引起的誤差。 ^[1] 

空軍飛行員通常需要及時分析射到飛機上的雷達信號，以判斷飛機是否被敵方地面站或空-空導彈跟蹤，從而採取相應措施。雷達波譜分析器是一種軍事上的新式探測器，調製技術在這種探測器上有着廣泛的應用。 ^[1] 

雷達波譜分析器可以用來分析雷達信號，如右圖是該分析器的構造，光源用632.8nm的He-Ne激光器或830m的 GaAlAs半導體激光器，探測器可用硅光二極管列陣，或電荷耦合器件（CCD），光在波導中傳播，並採用聚光光波導進行光聚焦（也可以採用離子注入法逐層注不同劑量的離子，以產生厚度相等、折射率具有特定分佈的透鏡來製作會聚透鏡）。從半導體激光器發出的光，經過兩個光學透鏡準直之後，通過調製器。外來的雷達信號f₀與本機振盪號f經混頻、放大後，驅動調製器，產生機械波。當外來雷達信號f₀變化時，機械波波長入也變化，由sinθ=λ/2λ_s可知，衍射光的角度也將變化。結果，經第三個集成光學透鏡聚焦的光，會聚到二極管陣列的不同元件上，如果有幾個雷達信號同時射入，則將有幾個二極管同時接收到號，陣列上的每一個元件代表不同的頻率，由二極管列陣所獲得的信號很容易識別敵方雷達信號。這種雷達波譜分析器構造簡單，只需要幾個光學元件及常規電路。 ^[1]