實驗一 聲光效應實驗

實驗聲光效應實驗【學史背景】聲光效應是指光通過某一受到超聲波擾動的介質時發(fā)生衍射的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象是光波與介質中聲波相互作用的結果。早在本世紀30年代就開始了聲光衍射的實驗研究。60年代激光器的問世為聲光現(xiàn)象的研究提供了理想的光源，促進了聲光效應理論和應用研究的迅速發(fā)展。聲光效應為控制激光束的頻率、方向和強度提供了一個有效的手段。利用聲光效應制成的聲光器件，如聲光調制器、聲光偏轉器、和可調諧濾光器等，在激光技術、光信號處理和集成光通訊技術等方面有著重要的應用?！緦嶒災康摹?．掌握聲光效應的原理和實驗規(guī)律；2．了解喇曼－納斯衍射和布喇格衍射的實驗條件和特點；3．測量不同激光（紅光、藍光、綠光）和紅外線通過聲光晶體發(fā)生布拉格衍射后的衍射角?！緦嶒炘怼慨敵暡ㄔ诮橘|中傳播時，將引起介質的彈性應變作時間和空間上的周期性的變化，并說明。在非線性光學中，利用參量相互作用理論，可建立起聲－光相互作用的統(tǒng)一理論，并且運用動量匹配和失配等概念對正常和反常聲光效應都可作出解釋。本實驗只涉及到各項同性介質中的正常聲光效應。設聲光介質中的超聲行波是沿y方向傳播的平面縱波，其角頻率為w,波長為九波矢ss為k。入射光為沿x方向傳播的平面波，其角頻率為w，在介質中的波長為九，波矢為k。s介質內的彈性應變也以行波形式隨聲波一起傳播。由于光速大約是聲速的105倍，在光波通過的時間內介質在空間上的周期變化可看成是固定的。由于應變而引起的介質的折射率的變化由下式?jīng)Q定1A()PS (1)n2式中，n為介質折射率，S為應變，P為光彈系數(shù)。通常，P和S為二階張量。當聲波在各項同性介質中傳播時，P和S可作為標量處理，如前所述，應變也以行波形式傳播，所以可寫成S二Ssin(wt—ky) (2)0ss當應變較小時，折射率作為y和t的函數(shù)可寫作n(y,t)二n+Ansin(wt—ky) (3)0ss式中，n為無超聲波時的介質的折射率，An為聲波折射率變化的幅值，由(1)式可求出01An=——n3PS20設光束垂直入射(k丄k)并通過厚度為L的介質，則前后兩點的相位差為sA①二kn(y,t)L0 (4)=knL+kAnLsin(wt—ky)000ss

=AO+50sin(wt—ky)

0ss式中，k為入射光在真空中的波矢的大小，右邊第一項AO為不存在超聲波時光波在介質00前后兩點的相位差，第二項為超聲波引起的附加相位差(相位調制)，5①二kAnL?？梢?，0當平面光波入射在介質的前界面上時，超聲波使出射光波的波振面變?yōu)橹芷谧兓陌櫿鄄?，從而改變出射光的傳播特性，使光產(chǎn)生衍射。設入射面上x二-L的光振動為E=Aeit，A為一常數(shù)，也可以是復數(shù)?？紤]到在出射2iL面x二-上各點相位的改變和調制，在xy平面內離出射面很遠一點的衍射光疊加結果為

E*aJ2ei[(wt-k0n(y,t)_k0ysin0]dyb-2寫成等式時，bE=CeiwtJ2ei§①Sin(ky-wt)0—%ysin0dy (5)b-2式中，b為光束寬度，9為衍射角，C為與A有關的常數(shù)，為了簡單可取為實數(shù)。利用一與貝塞耳函數(shù)有關的恒等式eiasin9=￡J(a)eim9

mm=—g式中J(a)為(第一類)m階貝塞耳函數(shù)，將(5)式展開并積分得m亠 .( 、*sin[b(mk-k0sinA)/2]6)E=Cb￡J(5O)ez(w-mws)tb(mks-k0Oin9)/26)m=s上式中與第m級衍射有關的項為E=EeiE=Eei(w-mwg)tm0sin[b(mk一ksin9)/2](b①) s0b(mk一ksin9)/2s0E=CbJ0m7)8)因為函數(shù)sinx/x在x=0取極大值，因此有衍射極大的方位角9由下式?jīng)Q定：m?9k 九sin9=m~=m^omk 尢0s式中，九為真空中光的波長，九為介質中超聲波的波長。與一般的光柵方程相比可知，超0s聲波引起的有應變的介質相當于一光柵常數(shù)為超聲波長的光柵。由(7)式可知，第m級衍射光的頻率w為mw=w-mw (10)ms可見，衍射光仍然是單色光，但發(fā)生了頻移。由于w口w，這種頻移是很小的。第m級衍射極大的強度I可用(7)式模數(shù)平方表示；mI=EE*=C2b2J2(b①)m00m (11)=IJ2(80)0m式中，E*為E的共軛復數(shù)，I=C2b2000第m級衍射極大的衍射效率耳定義為第m級衍射光的強度與入射光的強度之比。由m(11)式可知，n正比于J2(80)。當m為整數(shù)時，J(a)=(-l)mJ(a)。由(9)式和

m m -m m(11)式表明，各級衍射光相對于零級對稱分布。當光束斜入射時，如果聲光作用的距離滿足LV九2/2九，則各級衍射極大的方位角9sm由下式?jīng)Q定

sin9sin9m..九=smi+s式中i為入射光波矢k與超聲波波面的夾角。上述的超聲衍射稱為喇曼一納斯衍射，有超聲波存在的介質起一平面位光柵的作用。當聲光作用的距離滿足L>22/九，而且光束相對于超聲波波面以某一角度斜入射時,s在理想情況下除了0級之外，只出現(xiàn)1級或一1級衍射。如圖2所示。這種衍射與晶體對X光的布喇格衍射很類似，故稱為布喇格衍射。能產(chǎn)生這種衍射的光束入射角稱為布喇格角此時有超聲波存在的介質起體積光柵的作用?？梢宰C明，布喇格角滿足圖2布拉格衍射siniB圖2布拉格衍射siniB13)式中（13）稱為布喇格條件。s因為布喇角一般都很小，故衍射光相對于入射光的偏轉角O=2iO=2iB匚亠f九nvs14)ss式中，v為超聲波的波速，f為超聲波的頻率，其它量的意義同前。在布喇格衍射條件下，s一級衍射光的效率為15).「兀fMLP

耳=sin2[ 2s15)M2H0式中，〈為超聲波功率，L和H為超聲換能器的長和寬，M2為反映聲光介質本身性質的常數(shù)，M2=n6p2/P說，p為介質密度，p為光彈系數(shù)。在布喇格衍射下’衍射光的效率也由（10）式?jīng)Q定。理論上布喇格衍射的衍射效率可達100％，喇曼－納斯衍射中一級衍射光的最大衍射效率僅為34％，所以使用的聲光器件一般都采用布喇格衍射。由（14）式和（15）式可看出，通過改變超聲波的頻率和功率，可分別實現(xiàn)對激光束方向的控制和強度的調制，這是聲光偏轉器和聲光調制器的基礎。從（10）式可知，超聲光柵衍射會產(chǎn)生頻移，因此利用聲光效應還可以制成頻移器件。超聲頻移器在計量方面有重要應用，如用于激光多普勒測速儀。以上討論的是超聲行波對光波的衍射。實際上，超聲駐波對光波的衍射也產(chǎn)生喇曼－納斯衍射和布喇格衍射，而且各衍射光的方位角和超聲頻率的關系與超聲行波的相同。不過，各級衍射光不再是簡單地產(chǎn)生頻移的單色光，而是含有多個傅立葉分量的復合光。【實驗儀器】LOSG-II型晶體聲光效應實驗系統(tǒng)，主要包括光路部分和聲光效應實驗儀兩部分。光路部分包括He-Ne激光器（產(chǎn)生紅光），藍光和綠光激光器，激光器電源，光纖光源（產(chǎn)生紅外線），聲光器件，精密旋轉臺，導軌，白屏等；實驗儀包括超聲波信號源，脈沖方波產(chǎn)生器，光電池、光功率計，脈沖信號解調器。實驗時，另需配頻率計和雙蹤示波器器。He-Ne激光器：波長632.8nm，功率2mw.聲光器件：工作波長633nm,中心頻率100MHz±0.5MHz,衍射頻率240%,脈沖重復頻率21MHz.高頻超聲信號源：工作頻率 80-100MHZ,輸出功率約為700mw.調制脈沖頻率W10MHz,TTL接口。4?脈沖方波產(chǎn)生器：0.5-2KHz,TTL接口?！緦嶒瀮热菁安襟E】按照要求安裝好有關部件：把激光器、精密旋轉臺、白屏等一字排列在軌道上，聲光器件固定在精密旋轉臺上；將激光器電源連接到激光器；把聲光效應實驗儀的超生功率輸出用電纜連接到聲光器件；“等幅/調幅”開關放在等幅位置，“光功率/解制”開關置于光功率。（一）測量紅光、藍光和綠光通過聲光晶體后產(chǎn)生布拉格衍射的衍射角光打開He-Ne激光器（紅光）電源，調整聲光器件在光路中的位置和光的入射角度，使光束穿過聲光器件，照射在白屏上。打開聲光效應實驗儀的電源（注意在未連接聲光調制器之前，不能開啟電源）仔細聲光器件在光路中的位置和光的入射角，調整信號源輸出功率至最大值(直流電流表指示最大)同時調節(jié)信號源輸出頻率，使光屏上出現(xiàn)布拉格衍射。調出布喇格衍射，測量紅光的衍射角(調節(jié)布拉格衍射時，使1級衍射光最強即可)。激光類型0級光與1級光的偏轉距離a(mm)聲光器件與光屏之間的距離