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物理与信息工程系实验(预习)报告实验课程:物理设计与研究性实验实验项目:晶体的声光效应实验专业12级第组姓名学号实验日期:年月日气温气压一、实验目的:1.了解声光效应的原理。2.了解布喇格衍射的实验条件和特点。3.测量声光声光器件衍射效率。二、实验仪器F-SG1080型声光效应实验仪三、实验原理当超声波在介质中传播时,将引起介质的弹性应变作时间和空间上的周期性的变化,并且导致介质的折射率也发生相应变化。当光束通过有超声波的介质后就会产生衍射现象,这就是声光效应。有超声波传播的介质如同一个相位光栅。超声波传播时,如前进波被一个平面反射,会反向传播。在一定条件下前进波与反射波可以形成驻波。由于驻波小振幅可以达到单一行波的两倍,加剧了波源和和反射面之间的的疏密程度,某时刻,驻波的任一波节两边的质点都涌向这一点,使该节点附近形成密集区,而相邻波节处为质点稀疏处;半个周期后,这个节点附近的质点向两边散开形成稀疏区,而相邻波节处变为密集区。设声光介质中的超声行波是沿y方向传播的平面纵波,其角频率为sw,波长为s波矢为sk。入射光为沿x方向传播的平面波,其角频率为w,在介质中的波长为,波矢为k。介质内的弹性应变也以行波形式随声波一起传播。由于光速大约是声速的510倍,在光波通过的时间内介质在空间上的周期变化可看成是固定的。预习报告成绩实验报告成绩指导教师yx2L2L2bkko图1声光衍射由于应变而引起的介质的折射率的变化由下式决定PSn)1(2(1)式中,n为介质折射率,S为应变,P为光弹系数。通常,P和S为二阶张量。当声波在各项同性介质中传播时,P和S可作为标量处理,如前所述,应变也以行波形式传播,所以可写成)sin(0yktwSSss(2)当应变较小时,折射率作为y和t的函数可写作)sin(),(0yktwnntynss(3)式中,0n为无超声波时的介质的折射率,n为声波折射率变化的幅值,由(1)式可求出0321PSnn设光束垂直入射(k⊥sk)并通过厚度为L的介质,则前后两点的相位差为)sin(),(0000yktwnLkLnkLtynkss(4)0sin()sswtky式中,0k为入射光在真空中的波矢的大小,右边第一项0为不存在超声波时光波在介质前后两点的相位差,第二项为超声波引起的附加相位差(相位调制),0knL。可见,当平面光波入射在介质的前界面上时,超声波使出射光波的波振面变为周期变化的皱折波面,从而改变出射光的传播特性,使光产生衍射。设入射面上2Lx的光振动为itiEAe,A为一常数,也可以是复数。考虑到在出射面2Lx上各点相位的改变和调制,在xy平面内离出射面很远一点的衍射光叠加结果为00[((,)sin]22biwtknytkybEAedy写成等式时,0sin()sin22ssbikywtikyiwtbECeeedy(5)式中,b为光束宽度,为衍射角,C为与A有关的常数,为了简单可取为实数。利用一与贝塞耳函数有关的恒等式sin()iaimmmeJae式中()mJa为(第一类)m阶贝塞耳函数,将(5)式展开并积分得00sin[(sin)/2]()(sin)/2()sssbmkkiwmwtbmkkmmECbJe(6)上式中与第m级衍射有关的项为()0siwmwtmEEe(7)000sin[(sin)/2]()(sin)/2smsbmkkECbJbmkk(8)因为函数sin/xx在0x取极大值,因此有衍射极大的方位角m由下式决定:00sinsmskmmk(9)式中,0为真空中光的波长,s为介质中超声波的波长。与一般的光栅方程相比可知,超声波引起的有应变的介质相当于一光栅常数为超声波长的光栅。由(7)式可知,第m级衍射光的频率mw为mswwmw(10)可见,衍射光仍然是单色光,但发生了频移。由于sww,这种频移是很小的。第m级衍射极大的强度mI可用(7)式模数平方表示:*2220020()()mmmIEECbJIJ(11)式中,*0E为0E的共轭复数,220ICb第m级衍射极大的衍射效率m定义为第m级衍射光的强度与入射光的强度之比。由(11)式可知,m正比于2()mJ。当m为整数时,()(1)()mmmJaJa。由(9)式和(11)式表明,各级衍射光相对于零级对称分布。四、实验内容和数据记录(1)声光偏转角的测量利用游标卡尺在距声光调制器L长度的接收屏幕上,测量1级与1级光点之间的距离d。选取不同的Li,测量相应的di。实验的数据记录如下表:(2)声光效率的测定改变声光调制器的驱动电源U,分别测出0级衍射光功率Po和1级衍射光功率P1,实验的数据记录如下表:电压值U(V)0级光的功率P0(mW)1级光的功率P1(mW)衍射效率η=P1/P0【注意事项】1.实验仪器娇贵,调节过程中不可操之过急,应耐心认真调节。声光器件尤为贵重,注意保护。2.不能将功率信号源的输出功率长时间处于最大输出功率状态,以免烧坏。3.在观察和测量以前,应将整个光学系统调至共轴。4.实验结束后,应先关闭各仪器电源,再关闭总电源,以免损坏仪器。次数声光调制器到接收屏的距离L(mm)0级光与1级光的偏转距离d(mm)Φ(rad)=d/L4006008001000
本文标题:晶体的声光效应实验(设计与研究性实验)
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