大學(xué)物理聲光效應(yīng)講義

聲光效應(yīng)實(shí)驗(yàn)早在本世紀(jì)30年代就開始了聲光衍射的實(shí)驗(yàn)研究。60年代激光器的問世為聲光現(xiàn)象的研究提供了良好的光源，促進(jìn)了聲光效應(yīng)理論和應(yīng)用研究的迅速發(fā)展。聲光效應(yīng)為控制激光束的頻率、方向和強(qiáng)度提供了一個(gè)有效的手段。利用聲光效應(yīng)制成的聲光器件，如聲光調(diào)制器、聲光偏轉(zhuǎn)器和可調(diào)諧濾光器等，在激光技術(shù)、光信號(hào)處理和集成光通訊技術(shù)等方面有著重要應(yīng)用。聲光效應(yīng)已廣泛應(yīng)用于聲學(xué)、光學(xué)和光電子學(xué)。近年來，隨著聲光技術(shù)的不斷發(fā)展，人們已廣泛地開始采用聲光器件在激光腔內(nèi)進(jìn)行鎖膜或作為連續(xù)器件的Q開關(guān)。由于聲光器件具有輸入電壓低驅(qū)動(dòng)功率小、溫度穩(wěn)定性好、能承受較大光功率、光學(xué)系統(tǒng)簡(jiǎn)單、響應(yīng)時(shí)間快、控制方便等優(yōu)點(diǎn)，加之新一代的優(yōu)質(zhì)聲光材料的發(fā)現(xiàn)，使聲光器件具有良好的發(fā)展前景，它將不斷地滿足工業(yè)、科學(xué)、軍事等方面的需求。一.實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、了解聲光相互作用原理。2、觀察布拉格衍射現(xiàn)象。3、研究聲光調(diào)制和聲光偏轉(zhuǎn)的特性。二.實(shí)驗(yàn)儀器聲光晶體、功率信號(hào)源、頻率計(jì)、半導(dǎo)體激光器、示波器、CCD。三.實(shí)驗(yàn)原理若有一超聲波通過某種均勻介質(zhì)，介質(zhì)材料在外力作用下發(fā)生形變，分子間因相互作用力發(fā)生改變而產(chǎn)生相對(duì)位移，將引起介質(zhì)內(nèi)部密度的起伏或周期性變化，密度大的地方折射率大，密度小的地方折射率小，即介質(zhì)折射率發(fā)生周期性改變。這種由于外力作用而引起折射率變化的現(xiàn)象稱為彈光效應(yīng)。彈光效應(yīng)存在于一切物態(tài)。如上所述，當(dāng)聲波通過介質(zhì)傳播時(shí)，介質(zhì)就會(huì)產(chǎn)生和聲波信號(hào)相應(yīng)的、隨時(shí)間和空間周期性變化。這部分受擾動(dòng)的介質(zhì)等效為一個(gè)“相位光柵”。其光柵常數(shù)就是聲波波長(zhǎng)λs，這種光柵稱為超聲光柵。聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，有行波和駐波兩種形式。特點(diǎn)是行波形成的超聲光柵的柵面在空間是移動(dòng)的，而駐波場(chǎng)形成的超聲光柵的柵面是駐立不動(dòng)的。當(dāng)超聲波傳播到聲光晶體時(shí)，它由一端傳向另一端。到達(dá)另一端時(shí)，如果遇到吸聲物質(zhì)，超聲波將被吸聲物質(zhì)吸收，而在聲光晶體中形成行波。由于機(jī)械波的壓縮和伸長(zhǎng)作用，則在聲光晶體中形成行波式的疏密相間的構(gòu)造，也就是行波形式的光柵。當(dāng)超聲波傳播到聲光晶體時(shí)，它由一端傳向另一端。如果遇見反聲物質(zhì)，超聲波將被反聲物質(zhì)反射，在返回途中和入射波疊加而在聲光晶體中形成駐波。由于機(jī)械波壓縮伸長(zhǎng)作用，在聲光晶體中形成駐波形式的疏密相同的構(gòu)造，也就是駐波形式的光柵。聲光效應(yīng)是指光通過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。1、布拉格聲光調(diào)制我們?cè)O(shè)計(jì)的這套實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要是用來完成利用布拉格衍射進(jìn)行聲光調(diào)制的各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，所以下面著重講一下布拉格聲光調(diào)制。如果聲波頻率較高，且聲光作用長(zhǎng)度較大，此時(shí)的聲擾動(dòng)介質(zhì)也不再等效于平面位相光柵，而形成了立體位相光柵。這時(shí)，相對(duì)聲波方向以一定角度入射的光波，其衍射光在介質(zhì)內(nèi)相互干涉，使高級(jí)衍射光相互抵消，只出現(xiàn)0級(jí)和1級(jí)的衍射光，這就是布拉格聲光衍射，如圖1所示，這種衍射形式效率較高，有利于制成各種實(shí)用器件。入射光衍射光CDθθθBxA圖2入射光束在鏡面上發(fā)生衍射圖1布拉格聲光衍射下面從波的干涉加強(qiáng)條件來推導(dǎo)布拉格方程。為此，可把聲波通過的介質(zhì)近似看作許多相距λs入射光衍射光CDθθθBxA圖2入射光束在鏡面上發(fā)生衍射圖1布拉格聲光衍射 （1）要使聲波面上所有點(diǎn)同時(shí)滿足這以條件，只有使 （2）即入射角等于衍射角才能實(shí)現(xiàn)。對(duì)于相距λs的兩個(gè)不同的鏡面上的衍射情況，由上下面反射的反射光具有同相位的條件，其光程差必須等于光波波長(zhǎng)的整數(shù)倍，即 （3）考慮到，所以或 （4）式中，θi=θd=θB，θB稱為布拉格角?？梢?，只有入射角等于布拉格角θB時(shí)，在聲波面上的光波才具有同相位，滿足相干加強(qiáng)的條件，得到衍射極值，上式稱為布拉格方程。由于發(fā)生布拉格聲光衍射時(shí)，聲光相互作用長(zhǎng)度較大，屬于體光柵情況。理論分析表明，在聲波場(chǎng)的作用下入射光和衍射光之間存在如下關(guān)系 （5）式中Ei和Ej分別為入射和衍射光場(chǎng)，這為我們描述兩個(gè)光場(chǎng)的能量轉(zhuǎn)換效率提供了方便。定義：在作用距離L處衍射光強(qiáng)和入射光強(qiáng)之比為聲光衍射效率，即 （6）由于，注意到＝。因此，(6)式可寫為 (7)式中Δф是傳播距離L后位相改變量。引入有效彈光系數(shù)pe和有效應(yīng)變Se， （8）其中有效應(yīng)變Se同聲波場(chǎng)強(qiáng)度Is的關(guān)系是 （9）式中是聲速，是介質(zhì)密度。于是(1)式寫成 （10）或 （11）式中，，是聲光介質(zhì)的物理參數(shù)組合，是由介質(zhì)本身性質(zhì)決定的量，稱為聲光材料的品質(zhì)因數(shù)(或聲光優(yōu)質(zhì)指標(biāo))，它是選擇聲光介質(zhì)的主要指標(biāo)之一。從(4)式可見：(a)若在超聲功率Ps一定的情況下，欲使衍射光強(qiáng)盡量大，則要求選擇M2大的材料，并且，把換能器做成長(zhǎng)面較窄（即L大H小）的形式；(b)如果超聲功率足夠大，使達(dá)到時(shí)，＝100%(c)當(dāng)改變時(shí)，也隨之改變，因而通過控制Ps(即控制加在電聲換能器上的電功率)就可以達(dá)到控制衍射光強(qiáng)的目的，實(shí)現(xiàn)聲光調(diào)制。2、聲光調(diào)制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)聲光調(diào)制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的：設(shè)計(jì)出一整套完整的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，盡量減小其危險(xiǎn)性，便于操作。(1).光源的選擇本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用的是半導(dǎo)體激光器650nm的紅光，它具有激光的一切優(yōu)點(diǎn)，例如相干性好，發(fā)散角小，便于在空間傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)。除此之外，與He-Ne激光器相比，它精小簡(jiǎn)攜，放置在四維調(diào)整架上，易于調(diào)整。而且本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的650nm紅光是在0～2.5mW可調(diào)的，這樣就便于對(duì)光路的調(diào)節(jié)且不傷眼睛。(2).聲光晶體的選擇很多材料都可以做聲光材料使用，例如熔石英、鉬酸鉛、超重火石玻璃等。這樣我們就需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的要求進(jìn)行選擇，以下簡(jiǎn)述一下對(duì)本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)完成的布拉格衍射所需要的晶體的選擇。通常評(píng)價(jià)聲光材料性能優(yōu)劣的品質(zhì)因數(shù)有三個(gè)：①：表征材料的調(diào)制效率。,為調(diào)制效率，，故越大，所需聲功率則越小。②：評(píng)價(jià)材料的布拉格帶寬的品質(zhì)因數(shù)。顯然當(dāng)光波和聲波波長(zhǎng)變化時(shí)，都將引起布拉格角θB的變化，從而降低衍射效率。對(duì)布拉格衍射，定義一級(jí)衍射光強(qiáng)下降到名義聲波λs的衍射光強(qiáng)的一半時(shí)，聲頻變化量Δ?s為布拉格帶寬：，所以。引入一個(gè)新的物理量，使，越大，由此材料制成的調(diào)制器調(diào)制帶寬越寬。③M3：這是表征材料聲速大小的一個(gè)品質(zhì)因數(shù)。當(dāng)聲光器件作聲光偏轉(zhuǎn)用時(shí)，要求材料的聲速要小，因而引入M3=M1/Vs=n7p2/ρVs2。綜上所述，對(duì)聲光材料的上述要求某些是矛盾的，必須視具體問題綜合考慮各因數(shù)，以確定適當(dāng)?shù)穆暪獠牧稀?duì)于布拉格衍射，我們需要M1，M2，M3均越大越好的聲光材料，同時(shí)兼顧價(jià)錢等因素，我們的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采取了鉬酸鉛晶體，它的各項(xiàng)品質(zhì)因數(shù)為M1，M2=23.7，M3=24.9。(3).旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的使用將聲光晶體固定在旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上，平臺(tái)上有水平調(diào)節(jié)螺栓和角度調(diào)節(jié)螺栓，利用水平調(diào)節(jié)螺栓可以任意調(diào)整聲光晶體的位置，待聲光晶體位置大致確定以后，鎖緊水平調(diào)節(jié)螺栓，然后旋轉(zhuǎn)角度調(diào)節(jié)螺栓（±5?精確調(diào)節(jié)），就可以改變光強(qiáng)在各級(jí)光斑上的分布。原有的旋轉(zhuǎn)平臺(tái)具有調(diào)節(jié)俯仰的功能，但是應(yīng)用這樣的旋轉(zhuǎn)平臺(tái)就會(huì)使聲光晶體通光孔高度過高，導(dǎo)致整套系統(tǒng)比例失調(diào)，考慮到旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的俯仰功能作用不大，所以現(xiàn)在采用的旋轉(zhuǎn)平臺(tái)去掉了這一部分，進(jìn)而使得比例適當(dāng)，穩(wěn)定性好，易于調(diào)節(jié)。(4)橫向微調(diào)滑座的使用為了可以方便的選擇我們所需要的某級(jí)衍射光進(jìn)行調(diào)制，設(shè)計(jì)并使用了可以橫向微調(diào)的滑座，滑座上有精密刻度的橫移調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)（），將小孔光闌和接收放大器分別放在兩個(gè)橫向微調(diào)滑座上，調(diào)整好高度，在這種情況下，只要微調(diào)橫向螺桿，就可以對(duì)衍射光精確定位。四.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、觀察聲光調(diào)制的衍射現(xiàn)象調(diào)節(jié)激光束的亮度，使在相屏中心有明晰的光點(diǎn)呈現(xiàn)，此即為聲光調(diào)制的0級(jí)光斑；打開聲光調(diào)制電壓，微調(diào)載物平臺(tái)上聲光調(diào)制器的轉(zhuǎn)向，以改變聲光調(diào)制器的光束入射角，即可出現(xiàn)因聲光調(diào)制而出現(xiàn)的衍射光斑；仔細(xì)調(diào)節(jié)光束對(duì)聲光調(diào)制器的角度，當(dāng)+1級(jí)（或者－1級(jí)）衍射光最強(qiáng)時(shí)，聲光調(diào)制器即運(yùn)轉(zhuǎn)在布拉格條件下的偏轉(zhuǎn)狀態(tài)。注：布拉格衍射一級(jí)衍射達(dá)到極值的條件是：1)控制電壓為一特定的值；2)入射激光必須以特定的角度布拉格角α入射。2、測(cè)量聲光調(diào)制器的衍射效率定義：在作用距離處衍射光強(qiáng)和入射光強(qiáng)之比為聲光衍射效率。衍射效率，其中為最大衍射光強(qiáng)，為0級(jí)光強(qiáng)。3、計(jì)算聲光調(diào)制偏轉(zhuǎn)角定義1級(jí)光和0級(jí)光間的距離為d，聲光調(diào)制器到接收孔之間的距離為L(zhǎng),由于L〉〉d，即可求出聲光調(diào)制的偏轉(zhuǎn)角：4、測(cè)量超聲波的波速將超聲波頻率F，偏轉(zhuǎn)角與激光波長(zhǎng)代入，其中，將求出的一起帶入上式即可求得。[注意事項(xiàng)]1、調(diào)節(jié)過程中必須避免激光直射人眼，以免對(duì)眼睛造成危害。2、調(diào)節(jié)四維調(diào)整架時(shí)要輕調(diào)，不可用力過大，以免損壞調(diào)整架。3、供電電源應(yīng)提供保護(hù)地線，示波器的地線需與系統(tǒng)良好