声光效应与声光调制原理实验.docx

【实验名称】声光效应与声光调制综合实验
利用声光效应实现光辐射的调制在光通信、光信息处理、光测量与控制、激光调Q和锁模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和实质
2.掌握喇曼－奈斯和布拉格衍射的基本原理和工作特性
3.利用喇曼－奈斯衍射测量声波波长和通过测量各阶衍射强度验证理论的正确性
4.
5.掌握利用声光调制器传送信号的基本方法
【实验原理】
1.弹光效应与弹光系数
声光效应指声波对光的衍射现象。若有一超声波通过某种均匀介质，介质材料在外力作用下发生形变，分子间因相互作用力发生改变而产生相对位移，将引起介质内部密度的起伏或周期变化，密度大的地方折射率大，密度小的地方折射率小，即介质折射率发生周期性改变。这种由于外力作用而引起介质折射率变化的现象称为弹光效应。当光波横向通过介质时，介质对光的作用相当于一个衍射光栅，光栅条纹的间隔等于超声波的波长，它将使光束发生偏转，这种在声波场作用下产生的对光波场的调制现象则称为声光效应。
由物理光学，因弹性应变作用导致折射率的改变量是
（1）
相应的折射率椭球方程
（2）
其中是应变张量矩阵元，是四阶张量应变弹光系数张量。的具体形式是
（3）
式中表示位置矢量处的某点相对平衡位置的偏移在方向上的投影。由于弹光效应也是一种二次非线性电极化过程，于是由
（4a）
得到（4b）
因此，在光电场同时存在的情况下，由应变引起的电极化改变量为
（5）
此式给出了电极化场与光电场和应变场之间的关系，明确表示出弹光效应是一种非线性效应，其实质就是两个不同频率光波和一个声波相互作用的过程。
一般情况下，和均是对称二阶张量，因此应变和弹光系数可做下标简化，分别改写为和。于是可将（1）式写成如下矩阵形式
（6）
上式弹光系数张量中在对称性的限制下，实际的独立元素数目会有所减少。
2.声光相互作用
当声波通过介质传播时，介质就会产生和声波信号相应的、随时间和空间周期性变化的弹性形变，导致介质折射率的周期性变化。这部分受扰动的介质等效为一个“相位光栅”，其光栅常数就是声波波长，这种光栅称为超声光栅。声波在介质中传播时，有行波和驻波两种形式。特点是：行波场形成的超生光栅的栅面在空间时移动的，而驻波场形成的超生光栅栅面是驻立不动的。
首先考虑行波的情况，设平面纵声波在介质中沿x方向传播，声波扰动介质中的质点位移可写成
（7）
是质点振动的振幅，是声波频率，是声波波矢量的模。相应的应变场是
(8)
对各向同性介质，折射率分布为
(9)
声行波在某一瞬时对介质的作用情况如图1所示。图中密集区（黑）表示介质受的压缩，密度增大，相应的折射率也增大;稀疏区（白）表示介质密度变小，折射率减小。介质折射率增大或减小呈现交替变化，变化的周期是声波周期，同时又以声速向前传播。

图1声行波形成的超声光栅
对于驻波的情况，考虑两个相向传播的同频声行波的叠加，质点位移可以写成
(10)
而介质折射率为
(11)
因驻波效应(11)式中的应是(9)式的2倍。图2给出了生驻波情况下介质折射率的变化情况，其中在和图中的曲线表示左、右行波。从图中可见，声波在一个周期之内，介质呈现两层疏密层结构，在波节处介质密度保持不变，因而在波腹处折射率每隔半个周期就变化一次。这样，作为超声光栅，它将交替出现和消失，其交替变化的频率为原驻波周期的二倍，即。

图2.声驻波形成的超声光栅
下面我们从量子角度分析声波场与光波场间的相互作用。当一束单色光通过因弹光效应导致折射率发生周期性变化的介质时，光波要受到声波的调制。从波粒二象性角度看，可以把波矢为、频率为的声波看成是动量为、能量为的声子流；而将波矢为，频率为的光波看成是动量为,能量为的光子流。声光的相互作用可认为是声子与光子单个碰撞的综合效应。一个入射光子同一个声子碰撞，产生一个衍射光子，导致入射光和声子的湮灭。在这个碰撞中，要求满足动量守恒和能量守恒，所以衍射光子的动量和能量必定要分别等于入射光子和声子的动量总和和能量总和。于是有
（12）
取正号时，对应一个能量为,动量为的入射光子和一个能量为,动量为的声子的湮灭，同时产生一个能量为,动量为的衍射光子。取负号时,正好反之。
按超声波频率的高低和声光作用的超声场长度的大小，声光衍射现象可分为两类，即喇曼－奈斯衍射（Ram-Nath）和布拉格（Bragg）衍射。为了量化区分，引入物理量，这里是入射波长，是声波波长，是声光相互作用的长度。当<<1时，声波波长较大，较小，属于喇曼-奈斯衍射，工程上一般在0.3时，可以观测到喇曼-奈斯声光衍射；>>1时，声波波长较小，较大,属于布拉格衍射，工程上一般在4π时可以观测到布拉格声光衍射；当时，衍射较复杂，声光器件无法工作。
3.喇曼—奈斯衍射
若声波频率较低，因声波比光速小的多，在声波通过介质的时