声光效应-物理实验报告

1声光效应实验研究介质中传播的超声波会造成介质的局部压缩和伸长。由于弹性应变而使介质的折射率或介电常数发生改变，当光通过介质时就会发生衍射现象，称之为声光效应。由于声光效应，衍射光的强度、频率、方向等都随着超声波场而变化。其中衍射光偏转角随超声波频率变化的现象称为声光偏转；衍射光强度随超声波功率变化的现象称为声光调制。早在19世纪30年代就开始了声光衍射的实验研究。60年代激光器的问世为声光现象的研究提供了理想的光源，促进了声光效应理论和应用研究的迅速发展。声光效应为控制激光束的频率、方向和强度提供了一个有效的手段。利用声光效应制成的声光器件，如声光调制器、声光偏转器、和可调谐滤光器等，在激光技术、光信号处理和集成光通讯技术等方面有着重要的应用。【实验目的】1．了解声光相互作用的原理。2．了解喇曼－纳斯衍射和布喇格衍射的实验条件和特点。3．通过对声光器件衍射效率、中心频率和带宽的测量加深对其概念的理解4．测量声光偏转和声光调制曲线。【实验仪器】SO2000声光效应实验仪2【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。声光效应有正常声光效应和反常声光效应之分。在各项同性介质中，声－光相互作用不导致入射光偏振状态的变化，产生正常声光效应。在各项异性介质中，声－光相互作用可能导致入射光偏振状态的变化，产生反常声光效应。反常声光效应是制造高性能声光偏转器和可调滤波器的基础。正常声光效应可用喇曼－纳斯的光栅假设作出解释，而反常声光效应不能用光栅假设作出说明。在非线性光学中，利用参量相互作用理论，可建立起声－光相互作用的统一理论，并且运用动量匹配和失配等概念对正常和反常声光效应都可作出解释。本实验只涉及到各项同性介质中的正常声光效应。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ωs，波长为λs波矢为ks。入射光为沿x方向传播的平面波，其角频率为ω，在介质中的波长为λ，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3是声速的105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。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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(*yktwsssso当应变较小时，折射率作为y和t的函数可写作)sin(),(0yktwnntynss式中，n0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⊥ks）并通过厚度为L的介质，则前后两点的相位差为)sin(),(00yktwLtynkss式中，k0为入射光在真空中的波矢的大小，右边第一项△Ф0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），δФ=k0△nL。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4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x=-L/2的光振动为Ei=Aeit，A为一常数，也可以是复数。考虑到在出射面x=L/2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22sin)sin(0bbyiktwykiiwtdyeeCeEss式中，b为光束宽度，θ为衍射角，C为与A有关的常数，为了简单可取为实数。分析可知与第m级衍射有关的项为)(0tmwwimseEE2/)sin(]2/)sin(sin[)(000kmkbkmkbCbJEssm因为函数sinx/x在x=0取极大值，因此有衍射极大的方位角θm由下式决定：ssmmkkm00sin式中，λ0为真空中光的波长，λs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ωm为smm可见，衍射光仍然是单色光，但发生了频移。由于ωωs，这种频移是很小的。5第m级衍射极大的强度Im可用（7）式模数平方表示：)()(20222*0mmmJIJbCEEI式中，E﹡0为E0的共轭复数，I0=C2b2第m级衍射极大的衍射效率ηm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，ηm正比于J2m（δФ）。当m为整数时，J-m（a）=（-1）mJm（a）。由（9）式和（11）式表明，各级衍射光相对于零级对称分布。当光束斜入射时，如果声光作用的距离满足Lλ2s/2λ，则各级衍射极大的方位角θm由下式决定smmi0sinsin式中i为入射光波矢k与超声波波面的夹角。上述的超声衍射称为喇曼－纳斯衍射，相当于一个入射光子连续同几个声子相互作用的情形，因此喇曼－纳斯衍射是多极衍射。有超声波存在的介质起一平面位光栅的作用。当声光作用的距离满足L2λ2s/λ，而且光束相对于超声波波面以某一角度斜入射时，在理想情况下除了0级之外，只出现唯一的衍射级，+1级或-1级衍射。如图2所示。这种衍射与晶体对X光的布喇格衍射很类似，故称为布喇格衍射。能产生这种衍射的光束入射角称为布喇格角。此时有超声波存在的介质起体积光栅的作用。6可以证明，布喇格角满足sBi2sin上式称为布拉格条件。实验仪器介绍一套完整的SO2000声光效应实验仪配有：已安装在转角平台上的100MHz声光器件、半导体激光器、100MHz功率信号源、LM601CCD光强分布测量仪及光具座。1．声光器件声光器件的结构示意如图3所示。它由声光介质、压电换能器和吸声材料组成。本实验采用的声光器件中的声光介质为钼酸铅，吸声材料的作用是吸收通过介质传播到端面的超声波以建立超声行波。将介质的端面磨成斜面或成牛角状，也可达到吸声的作用。压电换能器又称超声换能器，由妮酸锂晶体或其它压电材料制成。它的作用是将电功率换成声功率，并在声光介质中建立起超声场。压电换能器既是一个机械振动系统，又是一个与功率信号源相联系的电振动系统，或者说是功率信号源的负载。为了获得最佳的电声能量转换效率，换能器的阻抗与信号源的内阻应当匹配。声光器件有一个衍射效率最大的工作频率，此频率称为声光器件的中心频率，记为fc。对于其它频率的超声波，其衍射效率将降低。规定衍射效率（或7衍射光的相对光强）下降3db（即衍射效率降到最大值的12）时两频率间的间隔为声光器件的带宽。声光器件安装在一个透明塑料盒内，置于转交平台上。盒上有一插座，用于和功率信号源的声光插座相连。透明塑料盒两端各开一个小孔，激光分别从这两个小孔射入和射出声光器件，不用时用贴纸封住以保护声光器件。旋转转交平台的旋转手轮可以转动转交平台，从而改变激光射入声光器件的角度。2．功率信号源SO2000功率信号源专为声光效应实验配套，输出频率范围为80~120MHz，最大输出功率为1W。3．CCD光强分布测量仪：其核心是线阵CCD器件。CCD器件是一种可以电扫描的光电二级管列阵，有面阵（二维）和线阵（一维）之分。LM601/501CCD光强仪所用的是线阵CCD器件,机壳尺寸为150mm×100mm×50mm，CCD器件的光敏面至光强仪前面板距离为4.5mm。4．USB100计算机数据采集盒：用USB接口与计算机相连，同时以DB15插座通过电缆线与LM601/501CCD光强仪后面板上的DB9插座相连。采集盒上有一个12位的A/D转换器，也就是说可以把CCD器件上每一个光敏单元上的光强信号分成4096个灰度等级。空间分辨率与所8使用CCD光强仪的型号有关。5．模拟通信收发器模拟通信收发器由三件仪器组成：模拟通信发送器、模拟通信接收器和光电池盒。6．半导体激光器半导体激光器输出光强稳定，功率可调，寿命长。在后面板上有一只调节激光强度的电位器，在盒顶和盒侧各有一只做X－Y方向微调的手轮。7．光具座0.8m长，配三只马鞍座，其中一只可横向移动，一般用于安置CCD光强仪或光电池盒用。SO2000的各部件的底端都有螺口用以旋入直径为10mm的立杆，拧紧后插入各马鞍座里，旋紧马鞍座的立杆旋钮，在将马鞍座置于光具座上，待各部件位置调好后，旋紧马鞍座侧面的旋钮即可完成固定。8．频率计采用VC2000智能频率计，量程为10Hz~2.4GHz。【实验内容】1.开机预热10分钟；2.观察喇曼－纳斯衍射和布拉格衍射，比较两种衍射的实验条件和特点；3.调出布喇格衍射，用示波器测量衍射角，先要解决“定标”的问题，即示波器X方向上的1格等于CCD器件上多少象9元，或者示波器上1格等于CCD器件位置X方向上的多少距离。用微机测量衍射角，则只需在软件上直接读出X方向上的距离（ch值）和光强度值（A/D值）。4.布拉格衍射下测量衍射光相当于入射光的偏转角Φ与超声波频率（即电信号频率）fs的关系曲线，并计算声速vs。测出6－8组（Φ，fs）值，在课堂上用计算器作直线拟合求出Φ和fs的相关系数。课后做Φ和fs的关系曲线。注意式（13）和（14）中布拉格角iB和偏转角Φ都是指介质内的角度，而直接测出的角度是空气中的角度，应进行换算，声光器件n＝2.386。由于声光器件的参数不可能达到理论值，实验中布拉格衍射不是理想的，可能会出现高级次衍射光等现象。调节布拉格衍射时，使1级衍射光最强即可。实验次数0级光与1级光的偏转格数0级光与1级光的偏转距离（mm）L(mm)ϕfs(MHZ)Vs1级光高度0级光高度1.007.004.99342.000.014685.001587.1719.003.502.007.505.35342.000.015690.001568.4919.007.003.007.905.63342.000.016595.001571.8019.509.004.008.205.84342.000.0171100.001594.0012.104.00105.008.806.27342.000.0183105.001559.586.401.806.009.206.56342.000.0192110.001562.814.000.90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。