固體聲光效應(yīng)實(shí)驗(yàn)

固體聲光效應(yīng)實(shí)驗(yàn)什么是聲光效應(yīng)？聲光效應(yīng)是指光通過(guò)某一受到超聲波擾動(dòng)的介質(zhì)時(shí)發(fā)生衍射的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象是光波與介質(zhì)中聲波相互作用的結(jié)果。

聲光效應(yīng)正常聲光效應(yīng)：在各向同性介質(zhì)中，聲與光相互作用不導(dǎo)致入射光偏振狀態(tài)的變化?？捎醚苌涔鈻偶僭O(shè)作出解釋。反常聲光效應(yīng)：在各向異性介質(zhì)中，聲與光相互作用導(dǎo)致入射光偏振狀態(tài)的變化。不能用光柵假設(shè)作出說(shuō)明。本實(shí)驗(yàn)只涉及到各向同性介質(zhì)中的正常聲光效應(yīng)。＜實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?.了解聲光效應(yīng)的原理。2.了解喇曼—納斯衍射和布喇格衍射的實(shí)驗(yàn)條件和特點(diǎn)。3.通過(guò)對(duì)聲光器件衍射效率，中心頻率和帶寬等的測(cè)量，加深對(duì)其概念的理解。4.測(cè)量聲光偏轉(zhuǎn)和聲光調(diào)制曲線。5.模擬激光通訊實(shí)驗(yàn)。<實(shí)驗(yàn)裝置>一套完整的SO2000聲光效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀配有：已安裝在轉(zhuǎn)角平臺(tái)上的100MHz聲光器件半導(dǎo)體激光器100MHz功率信號(hào)源LM601CCD光強(qiáng)分布測(cè)量?jī)x光具座信號(hào)同步聲光功率信號(hào)源激光器轉(zhuǎn)角平臺(tái)光強(qiáng)分布測(cè)量?jī)xYX示波器頻率計(jì)<實(shí)驗(yàn)原理>設(shè)聲光介質(zhì)中的超聲行波是沿у方向傳播的平面縱波，其角頻率為ws，波長(zhǎng)為λs，波矢為ks。入射光為沿х方向傳播的平面波，其角頻率為w，在介質(zhì)中的波長(zhǎng)為λ，波矢為k。介質(zhì)內(nèi)的彈性應(yīng)變也以行波形式隨聲波一起傳播。由于光速大約是聲波的105倍，在光波通過(guò)的時(shí)間內(nèi)介質(zhì)在空間上的周期變化可看成是固定的。KSb2b2L2χyKoL2θ圖9：聲光衍射應(yīng)變引起的介質(zhì)折射率的變化n為介質(zhì)折射率，S為應(yīng)變，P為光彈系數(shù)。在各向同性介質(zhì)中，S和P可作為標(biāo)量處理。應(yīng)變也以行波形式傳播，所以可寫成S=S0當(dāng)應(yīng)變S較小時(shí)，折射率作為y和t的函數(shù)可寫作

n0+

n0為無(wú)超聲波時(shí)的介質(zhì)折射率，為聲致折射率變化的幅值。設(shè)光束垂直入射（k垂直于ks），并通過(guò)厚度L為的介質(zhì)，則光波前后兩點(diǎn)的相位差可由波矢和光程求出，即有

可見，當(dāng)波陣面為平面的光波入射在介質(zhì)的前界面上時(shí)，超聲波使出射光波的波陣面變?yōu)橹芷谧兓陌櫿鄄?，從而改變了出射光的傳播特征，使光產(chǎn)生衍射。設(shè)入射面上的光振動(dòng)為，A為一常數(shù)，也可以是復(fù)數(shù)?？紤]到在出射面上各點(diǎn)相位的改變和調(diào)制，在xy平面內(nèi)離出射面很遠(yuǎn)一點(diǎn)處的衍射光疊加結(jié)果為b為光束寬度，為衍射角，C為與A及有關(guān)的常數(shù)，為了簡(jiǎn)單可取為實(shí)數(shù)。++=展開并積分得：其中，與第m級(jí)衍射有關(guān)的項(xiàng)為：=函數(shù)在時(shí)取極大值，因此衍射極大的方位角由下式?jīng)Q定與一般的光柵方程相比可知，超聲波引起的有應(yīng)變的介質(zhì)相當(dāng)于一個(gè)光柵常數(shù)為超聲波長(zhǎng)的光柵。第m級(jí)衍射光的頻率為可見，衍射光仍然是單色光，但發(fā)生了頻移。且這種頻移是很小的。

=喇曼—納斯衍射當(dāng)光束斜入射時(shí)，如果聲光作用的距離仍滿足L<，則各級(jí)衍射極大的方位角由下式?jīng)Q定：i為人射光波矢與超聲波波面之間的夾角，聲與光相互作用可產(chǎn)生多級(jí)衍射。此時(shí)，有超聲波存在的介質(zhì)起一個(gè)平面相位光柵的作用。布喇格衍射當(dāng)聲光作用的距離滿足L>，而且光束相對(duì)于超聲波波面以某一角度斜入射時(shí)，在理想情況下除了0級(jí)之外，只出現(xiàn)1級(jí)或者-1級(jí)衍射。這種衍射與晶體對(duì)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(shí)有超聲波存在的介質(zhì)起一個(gè)體積光柵的作用。布喇格條件：=λ/2λs

因?yàn)椴祭窠且话愣己苄?，故介質(zhì)內(nèi)衍射光相對(duì)于入射光的偏轉(zhuǎn)角為:

vs為超聲波的波速，fs為超聲波的頻率，其它量的意義同前。在布喇格衍射條件下，一級(jí)衍射光的效率為理論上布喇格衍射的衍射效率可達(dá)到100％，而喇曼—納斯衍射中一級(jí)衍射光的最大衍射率僅為34％，所以實(shí)用的聲光器件一般都采用布喇格衍射。（以上復(fù)雜原理為網(wǎng)上摘得==）

=<實(shí)驗(yàn)過(guò)程>1.安裝連接實(shí)驗(yàn)儀器2.調(diào)出布喇格衍射解決“定標(biāo)”的問(wèn)題。即示波器X方向上的1格等于CCD器件上多少象元，或者示波器上1格等于CCD器件位置X方向上的多少距離。本實(shí)驗(yàn)中，每格對(duì)應(yīng)實(shí)際空間距離為2700個(gè)像元÷8格×11μm=3712.5μm=3.7125mm，每小格對(duì)應(yīng)實(shí)際空間距離為3.7125mm÷5=0.7425mm

<實(shí)驗(yàn)過(guò)程>3.布喇格衍射下測(cè)量衍射光相對(duì)于入射光的偏轉(zhuǎn)角φ與超聲波頻率（即電信號(hào)頻率）fs的關(guān)系曲線，并計(jì)算聲速νs。次數(shù)0級(jí)光與1級(jí)光的偏轉(zhuǎn)距離（mm）L(mm)φ

fs12….……………Vs…<實(shí)驗(yàn)過(guò)程>4.布喇格衍射下，固定超聲波功率，測(cè)量衍射光相對(duì)于零級(jí)衍射光的相對(duì)強(qiáng)度與超聲波頻率的關(guān)系曲線，并定出聲光器件的帶寬和中心頻率。5.布喇格衍射下，將功率信號(hào)源的超聲波頻率固定在聲光器件的中心頻率上，測(cè)出衍射光強(qiáng)度與超聲波功率，并作出其聲光調(diào)制關(guān)系曲線。6測(cè)定布喇格衍射下的最大衍射效率，衍射效率=I1/I0.<實(shí)驗(yàn)結(jié)果>數(shù)據(jù)處理與作圖1、入射光的偏轉(zhuǎn)角與超聲波頻率的關(guān)系曲線