音響光学変調器

入射光ビームがブラッグ角にあるとき、回折パターンが現れ、各角度θで回折ビームの次数が次の式を満たす：^{[ 3 ]}

$${\displaystyle 2\Lambda \sin \theta =m\lambda }$$

ここで、m = ..., −2, −1, 0, +1, +2, ...は回折次数、λは真空中の光の波長、Λは音の波長です。^{[ 3 ]} m = 0 次は入射ビームと同じ方向に伝搬することに注意してください。

薄い結晶における正弦波変調による回折は、主にm = −1、0、+1の回折次数をもたらします。中程度の厚さの結晶におけるカスケード回折は、より高次の回折次数をもたらします。変調が弱い厚い結晶では、位相整合した次数のみが回折されます。これはブラッグ回折と呼ばれます。角度偏向は、ビーム幅（分解可能なスポットの数）の1～5000の範囲に及ぶ可能性があります。したがって、偏向は通常、数十ミリラジアンに制限されます。

ブラッグ回折における隣接する次数間の角度分離はブラッグ角の2倍である。$\displaystyle \Delta \theta \approx \tfrac {\lambda }{\Lambda }}.}$

音波によって回折される光の量は、音の強度に依存します。したがって、音の強度を利用して、回折光の強度を調整することができます。一般的に、m = 0次光に回折される光の強度は、入射光強度の 15% から 99% の間で変化させることができます。同様に、 m = +1次光の強度は0% から 80% の間で変化させることができます。

m = +1次における効率の表現は次のとおりです。 ^{[ 4 ]}

$${\displaystyle \eta ={\frac {I_{1}}{I}}=\sin ^{2}{\frac {\Delta \phi }{2}}}$$

外部位相変動$\displaystyle \Delta \phi ={\frac {\pi }{\lambda }}{\sqrt {2{\frac {L}{H}}M_{2}P}}.}$

異なる波長で同じ効率を得るには、AOMのRF電力は光ビームの波長の二乗に比例する必要があります。この式から、RF電力Pが高い場合、正弦二乗関数の最初のピークよりも高くなる可能性があることもわかります。その場合、Pを増加させると、非常に高いRF電力で2番目のピークに達し、AOMが過負荷になり、結晶やその他の部品が損傷する可能性があります。この問題を回避するには、常に非常に低いRF電力から始め、最初のピークに達するまでゆっくりと増加させる必要があります。

ブラッグ条件を満たす構成は 2 つあることに注意してください。入射ビームの波数ベクトルの音波の伝搬方向の成分が音波と逆方向の場合、ブラッグ回折/散乱プロセスにより m = +1 次までの効率が最大となり、正の周波数シフトが生じます。一方、入射ビームが音波と平行な場合、m = -1次までの回折効率が最大となり、負の周波数シフトが生じます。

ブラッグ回折との違いの一つは、光が移動する平面から散乱される点である。この結果、 m次回折光の周波数fは、音波の周波数Fに等しい量だけドップラーシフトする。 $${\displaystyle f\rightarrow f+mF}$$

この周波数シフトは、散乱過程において（光子とフォノンの）エネルギーと運動量が保存されるという事実によっても理解できます。典型的な周波数シフトは、安価なAOMでは27MHz、最先端の市販デバイスでは1GHzまで変化します。一部のAOMでは、2つの音波が材料中を反対方向に伝搬し、定在波を生成します。この場合、回折ビームのスペクトルには複数の周波数シフトが含まれますが、いずれの場合も音波の周波数の整数倍になります。  

さらに、回折光の位相も音波の位相によって変化します。この位相は任意の量だけ変化させることができます。

共線横音波または垂直縦音波は偏光を変化させることができる。音波は、ポッケルスセルと同様に複屈折位相シフトを誘起する。可変パルス形状を生成できる音響光学可変フィルター、特にダズラーはこの原理に基づいている。^{[ 5 ]}