声光效应实验

声光效应实验一、实验目的1．理解声光效应的原理，了解Ramam－Nath衍射和Bragg衍射的分别。2．测量声光器件的衍射效率和带宽等参数，加深对概念的理解。3．测量声光偏转的声光调制曲线。4．模拟激光通讯。二、实验原理(一)声光效应的物理本质——光弹效应介质的光学性质通常用折射率椭球方程描述1ijjjxyPockels效应：介质中存在声场，介质内部就受到应力，发生声应变，从而引起介质光学性质发生变化，这种变化反映在介质光折射率的或者折射率椭球方程系数的变化上。在一级近似下，有ijijklklPS各向同性介质中声纵波的情况，折射率n和光弹系数P都可以看作常量，得21()PSn其中应变0sin()SSkxt表示在x方向传播的声应变波，S0是应变的幅值，/skv是介质中的声波数，2f为角频率，vs为介质中声速，/svf为声波长。P表示单位应变所应起的2(1/)n的变化，为光弹系数。又得301sin()sin()2nnPSkxtkxt()sin()nxnnnkxt其中3012nPS是“声致折射率变化”的幅值。考虑如图1的情况，压电换能器将驱动信号U(t)转换成声信号，入射平面波与声波在介质中（共面）相遇，当光通过线度为l的声光互作用介质时，其相位改变为：000()()sin()xnxklklkxt其中002/k为真空中光波数，0是真空中的光波长，00nkl为光通过不存在超声波的介质后的位相滞后，项0sinklkxt为由于介质中存在超声波而引起的光的附加位相延迟。它在x方向周期性的变化，犹如光栅一般，故称为位相光栅。这就是得广播阵面由原先的平面变为周期性的位相绉折，这就改变了光的传播方向，也就产生了所谓的衍射。与此同时，光强分布在时间和空间上又做重新分配，也就是衍射光强受到了声调制。(二)声光光偏转和光平移从量子力学的观点考虑光偏转和光频移问题十分方便。把入射单色平面光波近似看作光子和声子。声光相互作用可以归结为光子和声子的弹性碰撞，这种碰撞应当遵守动量守恒和能量守恒定律，前者导致光偏转，后者导致光频移。这种碰撞存在着两种可能的情况——即声子的吸收过程和声子的受激发射过程，在声子吸收的情况下，每产生一个衍射光子，需要吸收一个声子。在声子受激发射的情况下，一个入射声子激发一个散射光子和另一个与之具有相同动量和能量的声子的发射。dikkkdi声光效应可划分为正常声光效应和反常声光效应两种。1、入射光和衍射光处于相同的偏振状态，相应的折射率相同，成为正常声光效应。2、入射光处于某种偏振状态，经声光作用，衍射光的偏振状态变为另一种偏振台。成为反常声光效应。这里主要介绍正常声光效应。在正常声光作用情况下，idnnn，从而0idkknk，有idB，B称为Bragg角，于是001sin222BsKfnvk（Bragg条件）与描述X光晶格衍射的Bragg定律得对比，λ相当于介质中X光波长，Λ相当于晶格常数，所以人们沿用这一名称，成为Bragg条件。满足Bragg条件是，只有唯一的衍射级，上移或下移，但不用时存在。注意到衍射光相对于入色光的偏转角02/(/)idBsnvf或0(/)snvf其中是与声频变化范围f相应的衍射光扫过的角度。通常把衍射光强从极大值下降3dB所相应的频宽定义作半功率带宽或Bragg带宽，记作Bf。此外还存在另一类所谓Raman-Nath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。有()()mdimdikkmKm上标（m）表示m级衍射，m取正，负整数值。同样可近似认为()mdikkk，于是有()sinsinmdimRaman-Nath衍射是多级衍射。从光栅角度来说，Raman-Nath衍射，使当超声频率较低，光线平行于声波面入射时，当光波通过声光介质时，几乎不经过声波波面，因此它只受到相位调制，声波的作用可视为一个平面相位光栅。故平行入射光束通过时，将产生多级衍射光。而Bragg衍射，是当超声频率较高，声光作用长度L较大，而且光束与声波面间以一定角度写入射，光波在介质中要穿过多个声波面，故介质具有体光栅的性质不能用平面相位光栅来描述。三、实验装置图图4声光效应实验装置图图5声光模拟通信实验装置图四、实验内容1.认真阅读声光效应仪的说明书，正确连接各个部件。调节激光器和声光晶体至布拉格衍射最佳位置。时间：2012/11/814:30-14:45实验记录：a)将CCD光电盒同步接口接到示波器外触发接口，输出接口接到示波器CH1通道接口；b)将声光功率信号源输出口接到声光晶体，测频接口与频率计相连；c)打开激光器电源，进行光路调节，调节CCD，声光晶体，激光器等高；使声光晶体与CCD距离尽量远；使激光从声光晶体盒子前孔进入，后孔射出，并最终射入CCD光电盒子接收口。d)打开声光功率信号源电源，输出超声波至声光晶体。适当增大激光器功率，使光斑清晰可见，在CCD与声光晶体间放置一纸板，观察衍射图样。调节转角平台至从纸板上观察到最亮的1级亮斑（+1或—1）。e)降低激光器功率，打开各仪器电源，关闭声光信号源输出，调节示波器与激光功率，在屏幕中得到完整的，清晰的单峰。打开声光信号源输出，单峰变为两个峰。稍微调节转动平台，使1级对应的峰达到最大。2.调出布拉格衍射，对示波器定标。时间：2012/11/815:15-15:24实验记录：a)在环境光较强的情况系，示波器上可以观察到，在CCD两次信号之间有缺口，选取上一个接口的右端到下一个接口的左端为CCD在示波器上对应的距离。b)在示波器上观察到对应CCD全象元N=2700的Δt=1.562ms。已知CCD参数象元中心间距为11μm。实验总结：根据上述测量，可计算得，对应示波器上横坐标的单位长度对应实际距离为：2700格×11𝜇𝑚/格1.562𝑚𝑠=19.014𝑚𝑚/𝑚𝑠3.在布拉格衍射条件下测量衍射光相对于入射光的偏转角α与超声波频率f的关系曲线，并计算声速v。测出五组（α，f）。时间：2012/11/815:24-15:38实验记录：a)测量声光晶体到CCD距离（作用距离）L=（520+4）mm=524mm。b)查阅实验参数得，声光晶体折射率n′=2.386。激光器波长λ=650nm。c)为得到偏转角α与超声波频率f的关系曲线，需要测量不同频率下示波器上0级跟1级对应的峰的间距。数据记录如下表。表1超声频率及对应偏转角实验数据表d)把表1数据代入根据实验内容2得到的示波器定标关系，可得0级1级衍射光实际距离D=d×△t。e)已知作用距离L=524mm，与各频率对应的D，可以计算各频率对应的偏转角。在小角度近似下tan𝜃≃sin𝜃≃θ。故由光斑实际距离D和作用距离L可得空气中出射光线的夹角为θ≃tan𝜃=𝐷/𝐿。由于光经过布拉格衍射后，出射晶体时会发生折射。有方程𝑛0×sin𝜃=n’×sin𝛼小角度近似下，可看作α=𝜃×𝑛0𝑛’⁄。计算结果记入表2。表2实验次数12345频率f/MHz78.982.894.5107.3114.70、1级实际距离/mm7.4537.8728.97710.15310.914偏转角度α/10−3𝑟𝑎𝑑5.9626.2967.1788,1218.729f)由表2数据可作出下图实验次数12345频率f/MHz78.982.894.5107.3114.7Δt/ms0.3920.4140.4720.5340.574图6偏转角α-频率f关系曲线对所得数据进行线性拟合，拟合曲线如图6，拟合输出结果如下：图7α-f线性拟合结果拟合曲线为：α=−5.0277×10−5+7.64066×10−5×𝑓相关系数R=0.99958≈1，可见偏转角与超声波频率线性关系非常好。g)根据上述各步骤结果，计算声速。声速为：𝑣𝑠=𝜆0△𝑓𝑛△𝛼=𝜆0𝑛×𝑠𝑙𝑜𝑝𝑒=650×10−92.386×7.64066×10−5×10−6=3565.4𝑚/𝑠与理论值3603m/s对比，实验误差为E=|𝑣𝑠测−𝑣𝑠理𝑣𝑠理|=|3565−36033603|×100%=1.05%4.布拉格衍射下，固定超声波功率，测量1级衍射光与零级衍射光的相对强度与超声波频率的关系曲线。并定出声光器件的中心频率（1级衍射光最强时对应的频率）和带宽（衍射光强从极大值下降到一半对应的频宽）。要测量10点以上。时间：2012/11/815:39-16:20实验记录：a)调节超声波功率信号源频率，功率会随之改变。具体变化情况为，频率增大，功率减少；反之，频率减少，功率增大。为确保调节频率期间，功率能保持不变，须设定一功率在最高频率（约120MHz）与最低频率（约80MHz）均能调节得到。此处选取P=64(mA)。b)固定超声波功率，调节频率120.6（MHz）,微调声光固体转角平台角度，使得布拉格衍射效率较高。c)开始测量，从120（MHz）到80(MHz)间均匀取值，记录表3。d)实验过程发现，从示波器的波形中可以明显看出，激光信号幅值有变化。故改进实验设计，将实验数据直接以1级衍射光强度进行分析改为对1级衍射相对于1级衍射与0级衍射的和的比值进行研究。表3实验次数12345678910f（MHz）120.6115.6111.4105.5100.595.190.286.982.078.90（V）2.542.041.871.761.752.022.202.603.203.651（V）0.460.570.751.311.991.821.701.400.950.7611+00.180.280.400.741.140.900.730.540.300.21数据分析：a)表3数据作图如下：图8根据数据点分布以及声光器件工作特性，声光器件衍射能力于中心频率处最大，然后向两边频率衰减，半峰高宽定义为带宽。因此认为声光器件衍射与频率之间关系符合高斯分布。故选用高斯函数对之进行拟合。拟合曲线如图8，拟合结果如下：表4图8拟合结果b)由表4拟合结果可以知道，相关系数R=0.984与1非常接近，说明拟合程度相当好，证明关于声光器件衍射能力与超声波频率之间关系符合高斯分布的假设合理。其次，根据拟合结果，可以读出实验所用声光器件的参数的实验结果：i.中心频率为：98.265MHzii.带宽为：24.99MHzc)实验误差分析：实验结果作图采用高斯函数进行拟合，在低频和高频部分，拟合结果与数据偏差较小，但越接近中心频率，偏差越大。有下图：图9分析认为有三部分原因：i.是数据采集过程，由于仪器限制，频率取值间隔不能做到太小，使得数据点不够多，可能造成其中误差被放大。ii.由于实验激光器不能做到理想的功率恒定，采用以1级衍射强度与0级和1级衍射强度和的比值来衡量衍射相同超声功率下的衍射效率的改变，存在一定误差，原因在于出射光并不仅有水平方向的1级衍射亮斑。该现象可直接用纸板作光屏直接观测到。iii.高斯分布与声光器件工作原理有一定偏差。偏差主要集中在中心频率附近。5.布拉格衍射下，将超声波频率固定在中心频率上，测量衍射光强度与超声波功率的关系曲线。时间：2012/11/816:20-16:49实验记录：a)保持超声信号源频率不变，改变功率，发现信号源频率并不随之改变。但如前所述，改变频率时，功率会发生变化，为了测量全功率范围，实验频率不宜选择太高。此处选择频率f=95.7MHz。b)测量数据如下表：表5实验次数12345678910111213P（mA）817876747270686664605650401（V）2.852.712.642.542.462.172.041.931.731.441.200.800.400（V）0.820.931.081.201.351.631.761.932.162.542.803.384.