聲光效應(yīng)實驗

1、聲光效應(yīng)實驗一、 實驗?zāi)康?理解聲光效應(yīng)的原理，了解RamamNath衍射和Bragg衍射的分別。2測量聲光器件的衍射效率和帶寬等參數(shù)，加深對概念的理解。3測量聲光偏轉(zhuǎn)的聲光調(diào)制曲線。4模擬激光通訊。二、 實驗原理(一) 聲光效應(yīng)的物理本質(zhì)光彈效應(yīng)介質(zhì)的光學(xué)性質(zhì)通常用折射率橢球方程描述 Pockels效應(yīng)：介質(zhì)中存在聲場，介質(zhì)內(nèi)部就受到應(yīng)力，發(fā)生聲應(yīng)變，從而引起介質(zhì)光學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，這種變化反映在介質(zhì)光折射率的或者折射率橢球方程系數(shù)的變化上。在一級近似下，有 各向同性介質(zhì)中聲縱波的情況，折射率n和光彈系數(shù)P都可以看作常量，得其中應(yīng)變 表示在x方向傳播的聲應(yīng)變波，S0是應(yīng)變的幅值，是介質(zhì)中的聲波

2、數(shù)，為角頻率，vs為介質(zhì)中聲速，為聲波長。P表示單位應(yīng)變所應(yīng)起的的變化，為光彈系數(shù)。又得 其中是“聲致折射率變化”的幅值?？紤]如圖1的情況，壓電換能器將驅(qū)動信號轉(zhuǎn)換成聲信號，入射平面波與聲波在介質(zhì)中（共面）相遇，當光通過線度為l的聲光互作用介質(zhì)時，其相位改變?yōu)椋?其中為真空中光波數(shù)，是真空中的光波長，為光通過不存在超聲波的介質(zhì)后的位相滯后，項為由于介質(zhì)中存在超聲波而引起的光的附加位相延遲。它在x方向周期性的變化，猶如光柵一般，故稱為位相光柵。這就是得廣播陣面由原先的平面變?yōu)橹芷谛缘奈幌嗫U折，這就改變了光的傳播方向，也就產(chǎn)生了所謂的衍射。與此同時，光強分布在時間和空間上又做重新分配，也就是衍射光

3、強受到了聲調(diào)制。 (二) 聲光光偏轉(zhuǎn)和光平移從量子力學(xué)的觀點考慮光偏轉(zhuǎn)和光頻移問題十分方便。把入射單色平面光波近似看作光子和聲子。聲光相互作用可以歸結(jié)為光子和聲子的彈性碰撞，這種碰撞應(yīng)當遵守動量守恒和能量守恒定律，前者導(dǎo)致光偏轉(zhuǎn)，后者導(dǎo)致光頻移。這種碰撞存在著兩種可能的情況即聲子的吸收過程和聲子的受激發(fā)射過程，在聲子吸收的情況下，每產(chǎn)生一個衍射光子，需要吸收一個聲子。在聲子受激發(fā)射的情況下，一個入射聲子激發(fā)一個散射光子和另一個與之具有相同動量和能量的聲子的發(fā)射。聲光效應(yīng)可劃分為正常聲光效應(yīng)和反常聲光效應(yīng)兩種。1、入射光和衍射光處于相同的偏振狀態(tài)，相應(yīng)的折射率相同，成為正常聲光效應(yīng)。2、入射光處

4、于某種偏振狀態(tài)，經(jīng)聲光作用，衍射光的偏振狀態(tài)變?yōu)榱硪环N偏振臺。成為反常聲光效應(yīng)。這里主要介紹正常聲光效應(yīng)。在正常聲光作用情況下，從而，有，稱為Bragg角，于是（Bragg條件）與描述X光晶格衍射的Bragg定律得對比，相當于介質(zhì)中X光波長，相當于晶格常數(shù)，所以人們沿用這一名稱，成為Bragg條件。滿足Bragg條件是，只有唯一的衍射級，上移或下移，但不用時存在。 注意到衍射光相對于入色光的偏轉(zhuǎn)角 或 其中是與聲頻變化范圍相應(yīng)的衍射光掃過的角度。通常把衍射光強從極大值下降3dB所相應(yīng)的頻寬定義作半功率帶寬或Bragg帶寬，記作。此外還存在另一類所謂Raman-Nath衍射。相當于一個入射光子連

5、續(xù)同幾個聲子相互作用的情形。有上標（m）表示m級衍射，m取正，負整數(shù)值。同樣可近似認為，于是有 Raman-Nath 衍射是多級衍射。從光柵角度來說，Raman-Nath衍射，使當超聲頻率較低，光線平行于聲波面入射時，當光波通過聲光介質(zhì)時，幾乎不經(jīng)過聲波波面，因此它只受到相位調(diào)制，聲波的作用可視為一個平面相位光柵。故平行入射光束通過時，將產(chǎn)生多級衍射光。而Bragg衍射，是當超聲頻率較高，聲光作用長度L較大，而且光束與聲波面間以一定角度寫入射，光波在介質(zhì)中要穿過多個聲波面，故介質(zhì)具有體光柵的性質(zhì)不能用平面相位光柵來描述。三、 實驗裝置圖圖4 聲光效應(yīng)實驗裝置圖圖5 聲光模擬通信實驗裝置圖四、

6、實驗內(nèi)容1. 認真閱讀聲光效應(yīng)儀的說明書，正確連接各個部件。調(diào)節(jié)激光器和聲光晶體至布拉格衍射最佳位置。時間：2012/11/8 14:30-14:45實驗記錄：a) 將CCD光電盒同步接口接到示波器外觸發(fā)接口，輸出接口接到示波器CH1通道接口；b) 將聲光功率信號源輸出口接到聲光晶體，測頻接口與頻率計相連；c) 打開激光器電源，進行光路調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)CCD，聲光晶體，激光器等高；使聲光晶體與CCD距離盡量遠；使激光從聲光晶體盒子前孔進入，后孔射出，并最終射入CCD光電盒子接收口。d) 打開聲光功率信號源電源，輸出超聲波至聲光晶體。適當增大激光器功率，使光斑清晰可見，在CCD與聲光晶體間放置一紙板，

7、觀察衍射圖樣。調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)角平臺至從紙板上觀察到最亮的1級亮斑（+1或1）。e) 降低激光器功率，打開各儀器電源，關(guān)閉聲光信號源輸出，調(diào)節(jié)示波器與激光功率，在屏幕中得到完整的，清晰的單峰。打開聲光信號源輸出，單峰變?yōu)閮蓚€峰。稍微調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)動平臺，使1級對應(yīng)的峰達到最大。2. 調(diào)出布拉格衍射，對示波器定標。時間：2012/11/8 15:15-15:24實驗記錄：a) 在環(huán)境光較強的情況系，示波器上可以觀察到，在CCD兩次信號之間有缺口，選取上一個接口的右端到下一個接口的左端為CCD在示波器上對應(yīng)的距離。b) 在示波器上觀察到對應(yīng)CCD全象元N=2700的t=1.562ms。已知CCD參數(shù)象元中心間距為1

8、1m。實驗總結(jié)：根據(jù)上述測量，可計算得，對應(yīng)示波器上橫坐標的單位長度對應(yīng)實際距離為：2700格11m/格1.562ms=19.014 mm/ms3. 在布拉格衍射條件下測量衍射光相對于入射光的偏轉(zhuǎn)角與超聲波頻率f的關(guān)系曲線，并計算聲速v。測出五組（，f）。時間：2012/11/8 15:24-15:38實驗記錄：a) 測量聲光晶體到CCD距離（作用距離）L=（520+4）mm=524 mm。b) 查閱實驗參數(shù)得，聲光晶體折射率n=2.386。激光器波長=650 nm。c) 為得到偏轉(zhuǎn)角與超聲波頻率f的關(guān)系曲線，需要測量不同頻率下示波器上0級跟1級對應(yīng)的峰的間距。數(shù)據(jù)記錄如下表。表1 超聲頻率及

9、對應(yīng)偏轉(zhuǎn)角實驗數(shù)據(jù)表實驗次數(shù)12345頻率f/MHz78.982.894.5107.3114.7t/ms0.3920.4140.4720.5340.574d) 把表1數(shù)據(jù)代入根據(jù)實驗內(nèi)容2得到的示波器定標關(guān)系，可得0級1級衍射光實際距離D=dt。e) 已知作用距離L=524mm，與各頻率對應(yīng)的D，可以計算各頻率對應(yīng)的偏轉(zhuǎn)角。在小角度近似下tansin。故由光斑實際距離D和作用距離L可得空氣中出射光線的夾角為tan=D/L。由于光經(jīng)過布拉格衍射后，出射晶體時會發(fā)生折射。有方程n0sin=nsin小角度近似下，可看作=n0n。計算結(jié)果記入表2。表2實驗次數(shù)12345頻率f/MHz78.982.89

10、4.5107.3114.70、1級實際距離/mm7.4537.8728.97710.15310.914偏轉(zhuǎn)角度/10-3rad5.9626.2967.1788,1218.729f) 由表2數(shù)據(jù)可作出下圖圖6 偏轉(zhuǎn)角-頻率f關(guān)系曲線對所得數(shù)據(jù)進行線性擬合，擬合曲線如圖6，擬合輸出結(jié)果如下：圖7 -f線性擬合結(jié)果擬合曲線為：=-5.027710-5+7.6406610-5f相關(guān)系數(shù)R=0.999581，可見偏轉(zhuǎn)角與超聲波頻率線性關(guān)系非常好。g) 根據(jù)上述各步驟結(jié)果，計算聲速。聲速為：vs=0fn=0nslope=65010-92.3867.6406610-510-6=3565.4 m/s與理論值3

11、603m/s對比，實驗誤差為E=vs測-vs理vs理=3565-36033603100%=1.05%4. 布拉格衍射下，固定超聲波功率，測量1級衍射光與零級衍射光的相對強度與超聲波頻率的關(guān)系曲線。并定出聲光器件的中心頻率（1級衍射光最強時對應(yīng)的頻率）和帶寬（衍射光強從極大值下降到一半對應(yīng)的頻寬）。要測量10點以上。時間：2012/11/8 15:39-16:20實驗記錄：a) 調(diào)節(jié)超聲波功率信號源頻率，功率會隨之改變。具體變化情況為，頻率增大，功率減少；反之，頻率減少，功率增大。為確保調(diào)節(jié)頻率期間，功率能保持不變，須設(shè)定一功率在最高頻率（約120MHz）與最低頻率（約80MHz）均能調(diào)節(jié)得到。

12、此處選取P=64(mA)。b) 固定超聲波功率，調(diào)節(jié)頻率120.6（MHz）,微調(diào)聲光固體轉(zhuǎn)角平臺角度，使得布拉格衍射效率較高。c) 開始測量，從120（MHz）到80(MHz)間均勻取值，記錄表3。d) 實驗過程發(fā)現(xiàn)，從示波器的波形中可以明顯看出，激光信號幅值有變化。故改進實驗設(shè)計，將實驗數(shù)據(jù)直接以1級衍射光強度進行分析改為對1級衍射相對于1級衍射與0級衍射的和的比值進行研究。表3實驗次數(shù)12345678910f（MHz）120.6115.6111.4105.5100.595.190.286.982.078.9I0（V）2.542.041.871.761.752.022.202.603.20

13、3.65I1（V）0.460.570.751.311.991.821.701.400.950.76I1I1+I00.180.280.400.741.140.900.730.540.300.21數(shù)據(jù)分析：a) 表3數(shù)據(jù)作圖如下：圖8根據(jù)數(shù)據(jù)點分布以及聲光器件工作特性，聲光器件衍射能力于中心頻率處最大，然后向兩邊頻率衰減，半峰高寬定義為帶寬。因此認為聲光器件衍射與頻率之間關(guān)系符合高斯分布。故選用高斯函數(shù)對之進行擬合。擬合曲線如圖8，擬合結(jié)果如下：表4 圖8擬合結(jié)果b) 由表4擬合結(jié)果可以知道，相關(guān)系數(shù)R=0.984與1非常接近，說明擬合程度相當好，證明關(guān)于聲光器件衍射能力與超聲波頻率之間關(guān)系符合高

14、斯分布的假設(shè)合理。其次，根據(jù)擬合結(jié)果，可以讀出實驗所用聲光器件的參數(shù)的實驗結(jié)果：i. 中心頻率為：98.265 MHzii. 帶寬為：24.99 MHzc) 實驗誤差分析：實驗結(jié)果作圖采用高斯函數(shù)進行擬合，在低頻和高頻部分，擬合結(jié)果與數(shù)據(jù)偏差較小，但越接近中心頻率，偏差越大。有下圖：圖9分析認為有三部分原因：i. 是數(shù)據(jù)采集過程，由于儀器限制，頻率取值間隔不能做到太小，使得數(shù)據(jù)點不夠多，可能造成其中誤差被放大。ii. 由于實驗激光器不能做到理想的功率恒定，采用以1級衍射強度與0級和1級衍射強度和的比值來衡量衍射相同超聲功率下的衍射效率的改變，存在一定誤差，原因在于出射光并不僅有水平方向的1級衍

15、射亮斑。該現(xiàn)象可直接用紙板作光屏直接觀測到。iii. 高斯分布與聲光器件工作原理有一定偏差。偏差主要集中在中心頻率附近。5. 布拉格衍射下，將超聲波頻率固定在中心頻率上，測量衍射光強度與超聲波功率的關(guān)系曲線。時間：2012/11/8 16:20-16:49實驗記錄：a) 保持超聲信號源頻率不變，改變功率，發(fā)現(xiàn)信號源頻率并不隨之改變。但如前所述，改變頻率時，功率會發(fā)生變化，為了測量全功率范圍，實驗頻率不宜選擇太高。此處選擇頻率f=95.7 MHz。b) 測量數(shù)據(jù)如下表：表5實驗次數(shù)12345678910111213P（mA）81787674727068666460565040I1（V）2.852

16、.712.642.542.462.172.041.931.731.441.200.800.40I0（V）0.820.931.081.201.351.631.761.932.162.542.803.384.39數(shù)據(jù)分析：a) 由表5作得下圖：圖10 圖中做出不同超聲波功率下，0級與1級衍射光強。并根據(jù)其分布，采用線性擬合，有如下擬合結(jié)果：注：表中B為I1擬合結(jié)果，C為I0擬合結(jié)果。表6 圖10擬合結(jié)果由此擬合結(jié)果可知，超聲波功率與衍射效率呈正相關(guān)。此處表現(xiàn)為，超聲波功率與0級衍射光強度成反比，與1級衍射光強度成正比。具體有：I1=-2.3607+0.06502P VI0=7.86835-0.08

17、932P (V)b) 誤差分析：實驗中超聲波信號源功率采用直接從信號源面板指針讀取，面板指針精度較低，故數(shù)據(jù)可能存在較大誤差。c) 實驗采用超聲波功率信號源信號功率調(diào)節(jié)范圍有限，在此功率范圍內(nèi)，可知功率越高，衍射效率越高。但不能得知所用聲光器件對功率的響應(yīng)范圍，即不能得知聲光器件正常工作的功率范圍。d) 從已知范圍內(nèi)分析可知，超聲功率過小不會造成聲光器件的損壞，只會導(dǎo)致聲光晶體內(nèi)聲波數(shù)太少，即如聲光效應(yīng)模型中，晶體內(nèi)聲波波陣面太過稀疏，導(dǎo)致衍射強度太低，不能正常工作。e) 其次，功率太大，不僅可能對聲光晶體造成損壞，因為超聲功率過高可能導(dǎo)致晶體內(nèi)部應(yīng)力太大致使形變不能恢復(fù)；若在不造成損壞，將會

18、由于晶體內(nèi)聲波波數(shù)太多，即模型中，晶體內(nèi)聲波波陣面太多，與光柵進行類比，認為將會導(dǎo)致衍射光斑太細，太弱，使得聲光器件作為光開關(guān)失效。6. 測定布拉格衍射下的最大衍射效率I1/I0。其中I0為未發(fā)生聲光衍射時的0級光的強度，I1為1級光的強度。時間：2012/11/8 16:49-17:20實驗記錄：a) 如前所述，由于激光器功率不穩(wěn)定，采用1級衍生光強和0級衍射光強的總和作為入射光強度。b) 根據(jù)實驗內(nèi)容4,5選擇在頻率等于中心頻率98.25MHz后功率調(diào)至最大值。此時功率最大值只有74mA。c) 稍微降低頻率，信號源功率上升，此時發(fā)現(xiàn)1級衍射增強。故保持功率最大，調(diào)節(jié)頻率，尋找極大點。得頻率

19、97.5 MHz，功率78mA使，衍射效率達到最大。此時1級衍射光強為2.75V，0級衍射光強0.7V。計算得衍射效率：=I1I0+I1100%=2.752.75+0.7100%=79.7%d) 不難發(fā)現(xiàn)，與理論上計算有一定出入。理論計算得知，聲光器件發(fā)生布拉格衍射的時候，衍射效率可以達到100%，原因分析有以下幾點：i. 實驗中所用聲光儀器外殼設(shè)置光入射和出射的小孔孔徑太小，導(dǎo)致聲光晶體有效旋轉(zhuǎn)角度較低，使得不一定能調(diào)到最適合發(fā)生布拉格衍射的角度。ii. 同樣是儀器原因，在聲光晶體中心頻率時，超聲波功率信號源功率并不能達到足夠高，使得在此次實驗中，衍射效率極大值并沒有出現(xiàn)在中心頻率上。而且衍

20、射效率也遠遠沒有達到100%。iii. 實驗結(jié)果卻稍微超過了實驗說明中給出的，此實驗裝置大概可以達到70%以上的衍射效率。一部分原因在于單純以0級衍射光強與1級衍射光強代替入射光強使得入射光強計算值比實際值要小，從而增大了衍射效率。另一部分原因則是由于CCD與出射衍射光斑連線不平行造成的。此部分在實驗報告最后進行說明。7. 在喇曼-納斯衍射下（光束垂直入射，調(diào)節(jié)+1級與-1級衍射強度相等），測量衍射角qm，并與理論值比較。時間：2011/11/15 14:30-15:00實驗記錄：a) 第二周實驗，重新連接好儀器，并調(diào)出喇曼-納斯衍射。由于所用激光器光束半徑較大，使用較高頻率時，對垂直入射要求

21、很高，而且激光是高斯光束球面波，喇曼-納斯調(diào)出較難。故選用較低頻率80.51MHz進行實驗。b) 以紙板接收到兩邊一級衍射亮度基本相同為依據(jù)進行粗調(diào)，后根據(jù)示波器上+1和-1級衍射光強度進行微調(diào)。c) 測量作用距離L-521mm，示波器上讀得，當+1和-1級衍射光強度相等，0級與1級時間間隔為t=0.400ms。超聲波頻率為80.51MHz。數(shù)據(jù)處理：類似于實驗內(nèi)容3的數(shù)據(jù)處理方法，先求得0級與1級在CCD上的實際距離 D=7.6056mm。求空氣中衍射光線的夾角，在小角度近似下有tan=DL=1.4610-2rad實際衍射角=n0n=6.1110-3rad計算理論值，由前文實驗原理中可知，喇

22、曼-納斯衍射角滿足：。其中，為超聲波波長。在小角度近似下可得理論=sin90+165010-93565.42.386(80.51106)=6.1510-3rad實驗值與理論值的相對誤差為：E=實驗-理論理論100%=0.7%8. 在喇曼-納斯衍射下，在聲光器件的中心頻率上測定1級衍射光的衍射效率，并與布喇格衍射下的最大衍射效率比較。時間：2012/11/15 15:00-16:00實驗記錄：a) 如實驗內(nèi)容7中所述，為降低喇曼-納斯衍射調(diào)節(jié)難度，不選用中心頻率進行測量，而是選用較低頻率80.51MHz進行實驗，此時功率P=98W。b) 調(diào)出喇曼-納斯衍射后，測得1級衍射強度I1=3.12(V)

23、,0級衍射強度 I0=3.00 (V)。數(shù)據(jù)分析：先不考慮數(shù)據(jù)可靠性，單從實驗數(shù)據(jù)出發(fā)，實驗測得的喇曼-納斯衍射效率為：=I1I0+I1100%=3.123.00+3.122100%=33.8%所得效率與理論最大值34%相當接近，同時遠遠小于中心頻率下測得的布拉格衍射效率79.7%。下面考查結(jié)果的可靠性：a) 對于不同頻率下工作的同一個聲光器件，定量比較兩者的衍射效率是沒有意義的，因為對于同樣的入射條件，不同頻率對應(yīng)的衍射效率將會不一樣，正如前面實驗內(nèi)容得出的聲光器件工作曲線，聲光器件存在最佳工作頻率。但由于布拉格衍射效率79.7%遠遠大于喇曼-納斯衍射效率33.8%，使得定性比較存在意義。意

24、義在于證實，布拉格衍射效率遠遠大于喇曼-納斯衍射效率的理論結(jié)果。b) 衍射光斑連線與CCD接收口不絕對平行，導(dǎo)致以示波器為依據(jù)調(diào)節(jié)出來的喇曼-納斯衍射并不是符合垂直入射。詳細將在報告最后討論。9. 進行聲光模擬通信實驗。觀測0級和1級信號的波形，是同相還是反相。改變超聲波功率，注意觀察模擬通信接收器的音樂變化，分析原因。時間：2012/11/15 16:00-17:00實驗記錄：a) 按圖5連接實驗儀器。模擬信號接收器發(fā)出與模擬信號發(fā)送器相同的音樂。示波器上觀察到跟隨音樂變化的波形。b) 光電池對準0級衍射光點，示波器上觀察到發(fā)送器波形與接收器波形同相。調(diào)節(jié)超聲波功率，功率變大，聲音減弱。功率

25、變小，聲音變大。c) 光電池對準1級衍射光點，示波器上觀察到發(fā)送器波形與接收器波形反相。調(diào)節(jié)超聲波功率，功率變大，聲音變大。功率變小，聲音減弱。d) 固定功率調(diào)節(jié)頻率，可得音量與頻率的關(guān)系。但由于調(diào)節(jié)頻率時，功率會跟隨變化，人耳分辨能力較差，不能在把功率調(diào)節(jié)回到固定功率后明確分辨出音量變化。實驗分析：a) 從前面的實驗內(nèi)容可以知道，超聲信號源功率變大時，聲光器件衍射效率會增大，使得0級衍射光減弱，1級衍射光增強。實驗中，模擬信號接收器以光電池為接受源，入射光強增大，信號強度變大，音量變大，反之音量則變小。b) 實驗中采用模擬信號發(fā)送器對超聲功率信號源進行控制，保持信號源設(shè)定功率不變，信號源輸出

26、功率將受到模擬信號發(fā)送器的控制。從示波器上可以觀測到發(fā)送器的波形，確定時刻下，波形為一定頻率的方波信號。方波的上升沿代表發(fā)送器加載到信號源的調(diào)制電壓。經(jīng)過轉(zhuǎn)換，信號源的輸出功率應(yīng)與之成正相關(guān)。c) 根據(jù)a)中分析，功率越大，0級衍射光減弱，即光電池接受到的光信號轉(zhuǎn)換為電信號之后，應(yīng)該具有與發(fā)送器反相的方波。功率越大，1級衍射光越強，同理應(yīng)出現(xiàn)與發(fā)送器同相的方波。而實際實驗過程中觀測到的卻是0級為同相，1級為反相，與分析結(jié)果剛好相反。認為是模擬信號接收器主要應(yīng)用于光強較強的0級衍射，故采用了反相措施，使對應(yīng)0級衍射的時候可以得到與發(fā)送器相同的結(jié)果。d) 若要c)中分析，應(yīng)直接把光電池盒的信號直接

27、接到示波器上進行觀察。而對于頻率與音量的關(guān)系，理論上應(yīng)為音量在最佳頻率處達到最大。但缺乏實驗驗證。可以使用音量探測儀器對實驗進行改進補充。五、 關(guān)于接收器與衍射光連線不平行問題的研究問題發(fā)現(xiàn)：在進行喇曼-納斯衍射相關(guān)實驗過程中，先用紙板對轉(zhuǎn)角平臺進行粗調(diào)，得光束基本垂直入射聲光晶體，+1級和-1級衍射光斑亮度基本一致。再根據(jù)示波器上信號進行微調(diào)，發(fā)現(xiàn)信號CCD接收到的+1級和-1級光強相差較大，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)角平臺，使得兩者基本強度一致后發(fā)現(xiàn)：a) 衍射效率極低，即+1級和-1級衍射光強度相對于0級光強十分微弱，調(diào)節(jié)超聲波功率并沒有明顯改善。b) 用紙板進行觀察，+1和-1衍射光斑亮度有明顯差別。c)

28、 肉眼可以分辨入射光束與聲光晶體成一定角度。光強明顯不一致，卻能在CCD上得到相同強度的信號。水平移動CCD，結(jié)果沒有改變，排除CCD某些像點異常工作可能。因此認為是衍射光斑連線與CCD接收孔不平行造成。問題原因：從原理上看，衍射光偏轉(zhuǎn)方向應(yīng)為超聲波波陣面的法線方向，即衍射發(fā)生在超聲波的傳播方向與入射光所處平面。故可認為衍射光斑連線就是超聲波傳播方向。儀器為制作調(diào)試方便，應(yīng)使超聲波沿水平方向通過聲光晶體，再使CCD接收孔保持水平，從而保證兩者平行。因此，造成與CCD接收孔不平行有兩方面可能，一是CCD接收孔沒有水平，其次便是超聲波方向不水平。檢查儀器，認為主要原因是聲光器件所在轉(zhuǎn)角平臺不水平造

29、成的。轉(zhuǎn)角平臺構(gòu)造為上下兩塊圓盤，圓盤中間有軸。在一半的圓盤中設(shè)有微調(diào)角度的裝置，而另一側(cè)則為懸空。加上懸空一側(cè)為超聲波輸入線接口一側(cè)。缺少支撐加上超聲波輸入線的重力作用，使得平臺向該側(cè)稍微傾斜。下面討論此問題對實驗結(jié)果的影響與實驗改進方案：布拉格衍射部分：實驗中需要用到衍射光強度的分別為實驗內(nèi)容4與實驗內(nèi)容6。實驗內(nèi)容4：需要固定超聲波功率，改變超聲波頻率，從而確定聲光器件的中心頻率以及帶寬。改變超聲波頻率會導(dǎo)致衍射光偏轉(zhuǎn)角度改變。從實驗內(nèi)容 1 的結(jié)果中可知，超聲波頻率越高，衍射光偏轉(zhuǎn)角度越大，即落在CCD上的0級衍射光與1級衍射光空間距離變遠。為方便討論，作以下假設(shè)：i. CCD象元對同

30、一光斑在不同偏離程度的響應(yīng)應(yīng)服從高斯分布。由于偏離程度很小，即局限于高斯分布峰值附近，近似為兩系數(shù)為相反數(shù)的一次函數(shù)，合并為同一函數(shù)R=kh-hcsgnhc-h+1且系數(shù)k為大于0的較小量，hc為中心位置。ii. 超聲波傳播方向與CCD成一小角度。iii. 聲光器件工作頻率曲線為高斯型。iv. CCD接收序列為水平方向。注意：假設(shè)i只是為討論方便進行的假設(shè)，實際上只需要利用CCD象元關(guān)于上下偏移具有對稱響應(yīng)，以及響應(yīng)效率隨偏移量增大而降低這兩個特點。由實驗內(nèi)容 1 的結(jié)果可以知道，CCD上測量到的實際距離與頻率成正比。再根據(jù)假設(shè) ii，在小角度近似下，可將假設(shè) i 中的 h 對應(yīng)成超聲波頻率。

31、改寫假設(shè) i 的關(guān)系式為R=kf-fcsgnfc-f+1令超聲波傳播方向與CCD序列交點恰好是0級衍射光斑處。如圖11此時，此時fc為0。0級衍射指向1級衍射方向恰好是響應(yīng)衰減方向。即測量結(jié)果低頻部分更接近真實值，高頻部分則響應(yīng)較低。示波器上觀察到的強度為衍射光強與響應(yīng)效率的乘積，根據(jù)響應(yīng)效率的變化規(guī)律以及假設(shè)iii，所得到圖像應(yīng)為一個強度對于頻率的形變了的高斯分布。從低頻到高頻與真實值相差越來越小。由于在最佳頻率附近光強變化十分平和，響應(yīng)效率R的存在會使得中心頻率偏向低頻部分。得到的圖像是中心頻率稍微左偏，左側(cè)平均要比右側(cè)要稍高，而且由于左側(cè)是上升部分，上升將變得平和，因為R在減小。中心頻率

32、右側(cè)為下降，同樣由于R在減小，下降將稍微更加劇烈。對于小于測量范圍最低頻率的fc均有類似結(jié)論，如圖12 （a）同樣的分析，用于當R中中心頻率與聲光器件中心頻率相同時，可得圖像依舊為一正態(tài)分布。如圖12 (b)而對于交點為一級衍射fc大于測量范圍的最大頻率，可得到與小于最小頻率時的圖像對稱的圖像。圖像特點為，中心頻率向右偏移，中心頻率左側(cè)上升較快，右側(cè)下降較慢，如圖13 （c）而當fc落在測量范圍中（除中心頻率），可用對應(yīng)的R與正態(tài)分布曲線相乘進行定性研究。(a)(b)(c)圖13綜上，實驗內(nèi)容4目的是測量聲光器件的中心頻率和帶寬，為得出更為準確的結(jié)果，我認為應(yīng)該選擇交點恰好對應(yīng)聲光器件中心頻率

33、的狀態(tài)進行測量（忽略中心頻率的微量偏移）。具體實驗步驟為，先將交點對準0級衍射光。即調(diào)出布拉格衍射后，調(diào)節(jié)CCD接收器的高度，使0級衍射光達到最強，此時超聲傳播方向與CCD序列的交點恰好為0級衍射光斑。進行實驗，得到中心頻率。保持功率不變將頻率調(diào)節(jié)為中心頻率。再調(diào)節(jié)CCD接收器高度，使得1級衍射光達到最大。再重新進行測量，可得出較為對稱理想的圖像結(jié)果。帶寬確認也更為方便。事實上，由于CCD象元響應(yīng)效率并不隨偏離程度均勻變化，若要考慮中心頻率的偏移，將無法準確測出中心頻率。實際操作中超聲波功率信號源頻率與功率的精度以及實驗操作的精度也比較低，所以忽略這部分偏移是合理的。實驗內(nèi)容5,6：由于實驗均

34、是在恒定頻率下進行對0級以及1級衍射光強度的測量。而實驗需要得到的數(shù)據(jù)為1級衍射光相對于入射光的強度。而數(shù)據(jù)處理中均以=I1I0+I1進行研究。根據(jù)之前對CCD響應(yīng)效率的近似，響應(yīng)效率R在fc兩側(cè)為鏡像對稱的一次函數(shù)。因此，若fc=f/2 (f為實驗所用一級衍射光對應(yīng)頻率)，也即將衍射光斑連線與CCD連線交點設(shè)在0級與1級的中點時。相對于CCD，0級亮斑與1級亮斑有相同偏移量，響應(yīng)效率相同。綜上，提出改進方案。先調(diào)出布拉格衍射，調(diào)至所需頻率。調(diào)節(jié)CCD接收器高度，使得0級衍射光達到最大。記錄0級與1級衍射光強度。再調(diào)節(jié)CCD接收器高度，使得1級衍射光強度達到最大。記錄0級與1級衍射光強度。此時， 0級的相對變化量與1級的相對變化量應(yīng)該相同。取其中一個作為度量，調(diào)節(jié)CCD接收器高度，使之相對變化量為一半，此時，0級衍射光與1級衍射光的響應(yīng)效率相同。所得相對強度也更有定量分析意義。喇曼-納斯衍射喇曼-納斯衍射部分實驗要求在已知頻率下測量其衍射效率。關(guān)鍵是要調(diào)出喇曼-納斯衍射。由于喇曼-納斯衍射要求垂直入射，得到強度相等的+1級和-1級衍射光，可以以此為調(diào)節(jié)依據(jù)。但由于存在衍射光斑連線與CCD序列不平行的問題，必須使得+1級和-1級衍射光處于相同偏離量才能確定兩者強度相等。由于頻率固定的情況下，CCD上+1級和-1級衍射光