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实验9声光效应的研究

声光效应是指光通过某一受到超声波扰动的介质时发生衍射的现象，这种现象是光波
与介质中声波相互作用的结果。声光效应就是研究光通过声波扰动的介质时发生散射或衍射
的现象。由于弹光效应，当超声纵波以行波形式在介质中传播时会使介质折射率产生正弦或
余弦规律变化，并随超声波一起传播，当激光通过此介质时，就会发生光的衍射，即声光衍
射。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
的变化现象称为声光偏转；衍射光强度随超声波功率而变化的现象称为声光调制。
早在本世纪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。y
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
k
各项同性介质中，声－光相互作用不导致入射光偏振状b

态的变化，产生正常声光效应。在各项异性介质中，声2
－光相互作用可能导致入射光偏振状态的变化，产生反q
o
常声光效应。反常声光效应是制造高性能声光偏转器和x
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
LkL
说明。在非线性光学中，利用参量相互作用理论，可建-
22
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。本实图6-9-1声光衍射
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ws，波长为ls波矢

为ks。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l，波矢为k。

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5
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10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
1
D()PS（6-9-1）
n2

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

S=S0sin(wst-ksy)（6-9-2）
当应变较小时，折射率作为y和t的函数可写作

n(y,t)=n0+Dnsin(wst-ksy)（6-9-3）

式中，n0为无超声波时的介质的折射率，Dn为声波折射率变化的幅值，由（6-9-1）式可
求出
1
Dn=-n3PS
20

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
DF=kn(y,t)L
0（6-9-4）
=k0n0L+k0DnLsin(wst-ksy)

=DF0+dF-sin()wsstky

式中，k0为入射光在真空中的波矢的大小，右边第一项DF0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），dF=Dk0nL。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。
L
设入射面上x=-的光振动为E=Aeit，A为一常数，也可以是复数。考虑到在出射
2i
L
面x=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
2
b
2i[(wt--k00n(y,t)kysin]q
EµAbedy
ò-
2
写成等式时，
b
iwt2idqFsin(kssy--wt)iky0sin
E=Cebeedy（6-9-5）
ò-
2
式中，b为光束宽度，q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
¥
iasinqqim
e=åJm()ae
m=-¥

式中Jam()为（第一类）m阶贝塞耳函数，将（6-9-5）式展开并积分得

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