声光效应实验.ppt

声光效应实验声光效应介绍由于声光效应，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。
有拉曼－奈斯衍射和布拉格衍射两种类型。
主要用途：制作声光调制器件，制作声光偏转器件，声光调Q开关，可调谐滤光器，在光信号处理和集成光通讯方面的应用。声光效应发展实验目的实验原理声光效应设声光效应中的超声行波是沿y方向传播的平面纵波，其角频率为，波长为λs，波矢为ks（ks=）。入射光为沿x方向传播的平面波，其角频率为，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。当声光作用的距离较小，满足L<时，由于光速大约是声速的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。应变引起的介质折射率的变化

n为介质折射率，S为应变，P为光弹系数
各向同性介质S和P可作为标量处理

应变也以行波形式传播，所以可写成
S=S0

当应变S较小时，折射率作为y和t的函数可写作n0+

n0为无超声波时的介质折射率，为声致折射率变化的幅值。

设光束垂直入射（k垂直于ks），并通过厚度L为的介质，则光波前后两点的相位差可由波矢和光程求出，即有

可见，当波阵面为平面的光波入射在介质的前界面上时，超声波使出射光波的波阵面变为周期变化的皱折波面，从而改变了出射光的传播特征，使光产生衍射。

设入射面上的光振动为，A为一常数，也可以是复数。考虑到在出射面上各点相位的改变和调制，在xy平面内离出射面很远一点处的衍射光叠加结果为

b为光束宽度，为衍射角，C为与A及有关的常数，为了简单可取为实数。
展开并积分得：

其中，与第m级衍射有关的项为：
函数在时取极大值，因此衍射极大的方位角由下式决定

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个光栅常数为超声波长的光栅。
第m级衍射光的频率为
可见，衍射光仍然是单色光，但发生了频移。且这种频移是很小的。

喇曼—纳斯衍射布喇格衍射因为布喇格角一般都很小，故介质内衍射光相对于入射光的偏转角为:

vs为超声波的波速，fs为超声波的频率，其它量的意义同前。在布喇格衍射条件下，一级衍射光的效率为

理论上布喇格衍射的衍射效率可达到100％，而喇曼—纳斯衍射中一级衍射光的最大衍射率仅为34％，所以实用的声光器件一般都采用布喇格衍射。

由上式可看出，通过改变超声波的频率和功率，可分别实现对激光光束方向的控制和强度的调制，这是声光偏转器和声光调制器的物理基础。超声光栅衍射会产生频移，因此利用声光效应还可制成频移器件。超声频移器在计量方面有重要应用，如用于激光多普勒测速仪等。
实际上，介质中也可能出现超声驻，超声驻波对光波的衍射也产生喇曼—纳斯衍射和布喇格衍射，而且各衍射光的方位角和超声频率的关系与超声行波时的相同。不过，各级衍射光不再是简单地产生频移的单色光，而是含有多个傅里叶分量的复合光。实验装置1、声光器件声光器件安装在一个透明塑料盒内，置于转交平台上，如图。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3、CCD光强分布测量仪5．模拟通信收发器实验内容
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。注意实验原理中布拉格角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。

次数
5.布拉格衍射下，固定超声波功率，测量衍射光相对于零级衍射光的相对强度与超声波频率的关系曲线，并定出声光器件的宽带和中心频率。
6.布拉格衍射下，将功率信号源的超声波频率固定在声光器件的中心频率上，测出衍射光强度与超声波功率的关系曲线。
7.测定布拉格衍射下的最大衍射效率，衍射效率＝I1/I0，其中，I0为未发生衍射光强度时“0级光”的强度，I1为发生声光衍射后1级光的强度。
8.在喇曼－纳斯衍射（光束垂直入射）下，测量衍射角θm并与理论值比较。
9.在喇曼－纳斯衍射下，在声光器件的中心频率上测定1级光的衍射效率，并与布拉格衍射下的最大衍射效率比较。超声波功率固定在布拉格衍射最佳时的功率上。在观察和测量以前，应将整个光学系统调至共轴。
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