声光效应原理：光怎样被声波偏转和调制

一束光穿过玻璃，为什么会被”声音”拐弯

玻璃是透明的，这句话在日常经验里几乎不会出错。可要是在这块玻璃里正跑着一列超声波，事情就变了：从另一侧穿过去的光会被拆成几束，其中一束偏开原来的方向，偏角通常在毫弧度到一度之间。

这就是声光效应（acousto-optic effect）：光与介质中的声波发生耦合，结果是光被偏折、被分束，频率也发生一点移动。它的应用距离日常生活并不远，激光打印机里的扫描、共聚焦显微镜里的光束切换、激光雷达里的脉冲选通，背后常常都有这类器件。

要理解它，先要接受一件事：声音在固体和液体里不是”空的”，而是实实在在的密度起伏。介质被压缩的地方密度略高，被拉伸的地方密度略低，这一列疏密相间的条纹会随声波一起向前跑。而折射率与密度相关，所以声波所到之处，折射率被周期性地改变。

声波在介质里刻出一张会移动的光栅

把这一列疏密结构翻译成光学语言，就是一张周期性的折射率光栅。光栅常数等于声波长，光栅的”刻痕”深浅由声功率决定，整张光栅则以声速向前移动。这种应变与折射率之间的耦合有个专门的名字，叫弹光效应（photo-elastic effect）。介质本身没有变，只是被声音”写”上了条纹。

声光互作用示意图

图 1：声光互作用的基本几何。换能器在介质中激起声波，声场覆盖的区域里折射率被周期性地调制，光束穿过该区域时被衍射到另一方向。

声波长由声速和驱动频率决定：

$$
\Lambda = \frac{v}{f_a}
$$

其中 $v$ 是介质中的声速，$f_a$ 是声波频率。以熔石英为例，纵波声速约 5.9 km/s，驱动器工作在 100 MHz 时，声波长为 59 μm。换能器由射频信号驱动，声功率通常在 1 W 到 10 W 之间，声波长则落在 10 μm 到 100 μm 这个量级上。

59 μm 对光来说已经相当”粗”了。可见光的波长只有半个微米左右，光在这个尺度上看到的不是几道孤立的刻痕，而是一整套规则的周期结构。规则结构对光的处理方式很明确：让光朝特定的几个方向走，其余方向互相抵消。这正是光栅衍射的脾气，只不过这一次，光栅是被声音临时写上去的，随时可以改。

布拉格条件：光该往哪个方向走

周期结构对光的衍射方向由光栅方程给出。若入射角为 $\theta_i$、衍射角为 $\theta_m$，光栅常数为 $d$，则

$$
d\left(\sin\theta_i + \sin\theta_m\right) = m\lambda
$$

正入射时它退化成熟悉的 $d\sin\theta_m = m\lambda$。把这套公式搬到声致光栅上，只需把光栅常数换成声波长 $\Lambda$。声光器件大多工作在布拉格区，绝大部分能量集中在一级衍射，其他级次几乎不出现，此时入射角需要满足

$$
\sin\theta_B = \frac{\lambda}{2\Lambda}
$$

衍射光与入射光的夹角约为布拉格角的两倍，也就是 $2\theta_B$。

代入一组真实数字会更有感觉。取 1064 nm 激光、熔石英中 5.9 km/s 的纵波声速、100 MHz 的驱动频率，声波长是 59 μm，于是偏转角约为

$$
2\theta_B \approx \frac{\lambda}{\Lambda} = \frac{1064\ \text{nm}}{59\ \mu\text{m}} \approx 1.8 \times 10^{-2}\ \text{rad} \approx 1.0^\circ
$$

这个结果与厂商给出的 18 mrad 量级完全一致。18 mrad 听起来很小，却大约是 200 μm 光束自身发散角的十倍，足够把偏折后的光和原来的光分离开来。

换一个视角，这套关系可以写成波矢守恒。入射光波矢加上声波波矢，得到衍射光波矢，三角形闭合就代表相位匹配。

非共线声光器件的波矢图

图 2：非共线声光器件的波矢图。(a) 正向模式；(b) 反向模式。入射光波矢与衍射光波矢之差由声波波矢补足，这个三角形关系就是布拉格条件的矢量写法。

三角形里最值得记住的是三边的长度对比：声波波矢的模 $K = 2\pi/\Lambda$ 比光波矢小两三个数量级，所以三角形几乎是”扁平”的，衍射光只偏离原来方向一点点。也正因为偏离量由声波长决定，改动驱动频率就能改动偏转角，这让声光器件天生带可调性。

一台声光器件，三种输出

把前面两条关系摆在一起，声光器件的功能就清楚了：声频决定衍射光的方向和频移，声功率决定衍射光的功率。同一块晶体配上不同的驱动器，就分别变成偏转器、强度调制器和频移器。

先说方向。声频升高，声波长变短，满足布拉格条件的角度随之减小或增大，具体走向取决于材料、切型和光的偏振。二氧化碲（TeO₂）是常用的声光材料，它属于双折射晶体，不同偏振的入射光在同一频率下对应的布拉格角并不相同。

二氧化碲晶体中布拉格角随声频的变化

图 3：二氧化碲晶体中的声光互作用。(a) 不同入射偏振下，光在 +1 级与 −1 级衍射时布拉格角随声频的变化；(b) 非常偏振光束向 +1 级衍射时的互作用区域。两条支路的差异来自晶体对不同偏振的折射率不同。

再说强度。射频功率加大，折射率光栅的”刻痕”变深，被衍射到一级的光随之增强，剩余部分继续沿原方向传播。于是只要改变射频功率，就能在微秒甚至更短的时间里调节输出光的强弱，这就是声光调制器（acousto-optic modulator，AOM）作为强度调制器的工作方式。开关速度受声波穿过光束所需的时间限制，上升时间近似为

$$
\tau \approx 0.66\frac{d}{v}
$$

其中 $d$ 是光束直径。把 $d = 1$ mm 和 $v = 5.9$ km/s 代进去，$\tau \approx 1.1 \times 10^{-7}$ s，约 112 ns，对应几 MHz 的调制带宽。想把速度再提上去，办法很直接：把光束收细。

最后是频率。衍射光相对入射光的频率移动量正好等于声频，取加还是取减取决于声波相对光束的传播方向；用多普勒效应来理解，就是光被一个以声速迎面跑来的”移动光栅”散射。驱动频率通常在数十到数百 MHz，很少超过 1 GHz，而光本身的频率接近 $5\times10^{14}$ Hz，所以频移虽然可测，相对量却极小。

从器件到系统：几种常见用法

偏转器的用法最容易被看见。声频一变，衍射光的方向就变，如果把驱动频率按程序扫过一段范围，光束就能在样品上逐点行走。共聚焦显微镜和双光子显微镜里用它做随机寻址，因为声光偏转器没有机械惯量，切换靠的是声波，响应比转镜快得多。

强度调制则出现在另一类场合：从一列脉冲里挑出指定的几个、把连续激光的功率稳定在某个水平、在光通信里把信息写进光强。这些任务只需要改变射频功率，器件本身不动。

频移器的用法往往更隐蔽。把一束光整体平移几十 MHz，再与未频移的光在探测器上混频，就能得到稳定的外差信号；激光多普勒测速、外差干涉仪、光镊中用来抑制干涉噪声的快速抖动，都依赖这个频移。声波方向反过来，频移的符号也随之反过来。

在激光腔里，声光器件还能当开关用。把射频打开，腔内的光被衍射偏出光轴，振荡被压住，工作物质继续积累反转粒子；射频一断，腔内损耗回落，积累的能量在很短时间内释放出来，形成功率很高的脉冲。这就是声光 Q 开关的思路。

从实验台往芯片上看，声光器件也在缩小。薄膜铌酸锂等平台上已经演示了片上声光调制和微波声光频移，把光与声波的耦合搬进光子集成回路里。

声光盒实物与实测角分布

图 4：声光盒的实测结果。(a) 采用九段换能器的声光盒实物；(b) 接入不同段数换能器时衍射光的角分布特性，m = 9、5、2 三组曲线依次变宽。换能器分段越多，声束越接近理想的平面波，衍射角度就越集中。

使用时值得留意的几处边界

声光器件的指标之间存在此消彼长。衍射效率想要高，往往需要更长的互作用长度或更大的声功率；而互作用长度越长，器件能接受的入射角范围就越窄，带宽随之收窄。同一块晶体，很难同时把效率和带宽都做到极致。

时间的账也要提前算清。上升时间与光束直径成正比。光束收细，切换变快，但光束太细时声束的横向尺寸会受到限制，可分辨的偏转角度数量下降。扫描速度与可分辨点数之间同样存在取舍。

介质的性质决定了频率上限。声吸收随频率迅速增大，固体器件通常工作在几十到几百 MHz，空气中的声光调制则被压到 1 MHz 量级，偏转角也随之变得很小。材料若是双折射晶体，不同偏振的入射光在同一个频率下对应不同的布拉格角，设计时必须把偏振状态一并考虑。

最后是功率与热。高功率激光穿过声光晶体时，吸收带来的热会改变折射率分布，进而影响光束质量和偏转准确性；追求高功率时，低吸收材料和大通光孔径就成了硬指标。

把这些线索收在一起，声光效应并不难记：声音在介质里写下一张会跑的光栅，光的去向由光栅的间距给出，光的强弱由刻痕的深浅给出。

参考资料

光学与光子学
#光学 #声光效应 #声光调制器 #布拉格衍射 #弹光效应
声光效应原理：光怎样被声波偏转和调制
https://time-frame.cloud/2026/10/01/2026-10-01-acousto-optic-effect-principle/
作者
Time Frame
发布于
2026年10月1日
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