聲光效應(yīng)實(shí)驗(yàn)

聲光效應(yīng)實(shí)驗(yàn)第一頁，共三十三頁，2022年，8月28日聲光效應(yīng)介紹

定義：介質(zhì)中的超聲波對(duì)光的衍射現(xiàn)象。

超聲波通過介質(zhì)時(shí)會(huì)造成介質(zhì)的局部壓縮和伸長而產(chǎn)生彈性應(yīng)變，該應(yīng)變隨時(shí)間和空間作周期性變化，使介質(zhì)出現(xiàn)疏密相間的現(xiàn)象，如同一個(gè)相位光柵。當(dāng)光通過這一受到超聲波擾動(dòng)的介質(zhì)時(shí)就會(huì)發(fā)生衍射現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱之為聲光效應(yīng)acoustoopticeffect。第二頁，共三十三頁，2022年，8月28日

由于聲光效應(yīng)，衍射光的強(qiáng)度、頻率、方向等都隨著超聲波場(chǎng)而變化。其中衍射光偏轉(zhuǎn)角隨超聲波頻率變化的現(xiàn)象稱為聲光偏轉(zhuǎn)；衍射光強(qiáng)度隨超聲波功率變化的現(xiàn)象稱為聲光調(diào)制。有拉曼－奈斯衍射和布拉格衍射兩種類型。主要用途：制作聲光調(diào)制器件，制作聲光偏轉(zhuǎn)器件，聲光調(diào)Q開關(guān)，可調(diào)諧濾光器，在光信號(hào)處理和集成光通訊方面的應(yīng)用。第三頁，共三十三頁，2022年，8月28日聲光效應(yīng)發(fā)展

早在19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)象的研究提供了理想的光源，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)等方面有著重要的應(yīng)用。第四頁，共三十三頁，2022年，8月28日實(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）通過對(duì)聲光衍射器件衍射效率測(cè)量，加深對(duì)這些概念的理解；（4）測(cè)量光偏轉(zhuǎn)和光調(diào)制曲線。第五頁，共三十三頁，2022年，8月28日實(shí)驗(yàn)原理當(dāng)超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，將引起介質(zhì)的彈性應(yīng)變作時(shí)間上和空間上的周期性的變化，并且導(dǎo)致介質(zhì)的折射率也發(fā)生相應(yīng)的變化。當(dāng)光束通過有超聲波的介質(zhì)后就會(huì)產(chǎn)生衍射現(xiàn)象，這就是聲光效應(yīng)。聲光效應(yīng)是制造高性能聲光偏振器件和可調(diào)諧濾光器的物理基礎(chǔ)。第六頁，共三十三頁，2022年，8月28日聲光效應(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)作出說明。本實(shí)驗(yàn)采用衍射光柵假設(shè)對(duì)各向同性介質(zhì)中的聲光效應(yīng)作一簡要的討論。第七頁，共三十三頁，2022年，8月28日設(shè)聲光效應(yīng)中的超聲行波是沿y方向傳播的平面縱波，其角頻率為，波長為λs，波矢為ks（ks=）。入射光為沿x方向傳播的平面波，其角頻率為，在介質(zhì)中的波長為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。當(dāng)聲光作用的距離較小，滿足L<時(shí)，由于光速大約是聲速的105倍，在光波通過的時(shí)間內(nèi)介質(zhì)在空間上的周期變化可看成是固定的。第八頁，共三十三頁，2022年，8月28日應(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)各向同性介質(zhì)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第九頁，共三十三頁，2022年，8月28日當(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為無超聲波時(shí)的介質(zhì)折射率，為聲致折射率變化的幅值。

第十頁，共三十三頁，2022年，8月28日設(shè)光束垂直入射（k垂直于ks），并通過厚度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。++第十一頁，共三十三頁，2022年，8月28日設(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)。考慮到在出射面上各點(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)，為了簡單可取為實(shí)數(shù)。=第十二頁，共三十三頁，2022年，8月28日展開并積分得：其中，與第m級(jí)衍射有關(guān)的項(xiàng)為：=第十三頁，共三十三頁，2022年，8月28日函數(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。

=第十四頁，共三十三頁，2022年，8月28日喇曼—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。第十五頁，共三十三頁，2022年，8月28日布喇格衍射當(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第十六頁，共三十三頁，2022年，8月28日

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。

=第十七頁，共三十三頁，2022年，8月28日由上式可看出，通過改變超聲波的頻率和功率，可分別實(shí)現(xiàn)對(duì)激光光束方向的控制和強(qiáng)度的調(diào)制，這是聲光偏轉(zhuǎn)器和聲光調(diào)制器的物理基礎(chǔ)。超聲光柵衍射會(huì)產(chǎn)生頻移，因此利用聲光效應(yīng)還可制成頻移器件。超聲頻移器在計(jì)量方面有重要應(yīng)用，如用于激光多普勒測(cè)速儀等。第十八頁，共三十三頁，2022年，8月28日實(shí)際上，介質(zhì)中也可能出現(xiàn)超聲駐，超聲駐波對(duì)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(guān)系與超聲行波時(shí)的相同。不過，各級(jí)衍射光不再是簡單地產(chǎn)生頻移的單色光，而是含有多個(gè)傅里葉分量的復(fù)合光。第十九頁，共三十三頁，2022年，8月28日實(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)量儀光具座第二十頁，共三十三頁，2022年，8月28日1、聲光器件本實(shí)驗(yàn)采用的聲光器件中的聲光介質(zhì)為鉬酸鉛，吸聲材料的作用是吸收通過介質(zhì)傳播到端面的超聲波以建立超聲行波。將介質(zhì)的端面磨成斜面或成牛角狀，也可達(dá)到吸聲的作用。壓電換能器又稱超聲換能器，由妮酸鋰晶體或其它壓電材料制成。它的作用是將電功率換成聲功率，并在聲光介質(zhì)中建立起超聲場(chǎng)。壓電換能器既是一個(gè)機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)，又是一個(gè)與功率信號(hào)源相聯(lián)系的電振動(dòng)系統(tǒng)，或者說是功率信號(hào)源的負(fù)載。為了獲得最佳的電聲能量轉(zhuǎn)換效率，換能器的阻抗與信號(hào)源的內(nèi)阻應(yīng)當(dāng)匹配。聲光器件有一個(gè)衍射效率最大的工作頻率，此頻率稱為聲光器件的中心頻率，記為fc。對(duì)于其它頻率的超聲波，其衍射效率將降低。規(guī)定衍射效率（或衍射光的相對(duì)光強(qiáng)）下降3db（即衍射效率降到最大值的12）時(shí)兩頻率間的間隔為聲光器件的帶寬。第二十一頁，共三十三頁，2022年，8月28日聲光器件安裝在一個(gè)透明塑料盒內(nèi)，置于轉(zhuǎn)交平臺(tái)上，如圖。盒上有一插座，用于和功率信號(hào)源的聲光插座相連。透明塑料盒兩端各開一個(gè)小孔，激光分別從這兩個(gè)小孔射入和射出聲光器件，不用時(shí)用貼紙封住以保護(hù)聲光器件。旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)交平臺(tái)的旋轉(zhuǎn)手輪可以轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)交平臺(tái)，從而改變激光射入聲光器件的角度。第二十二頁，共三十三頁，2022年，8月28日2、功率信號(hào)源SO2000功率信號(hào)源專為聲光效應(yīng)實(shí)驗(yàn)配套，輸出頻率范圍為80~120MHz，最大輸出功率為1W。第二十三頁，共三十三頁，2022年，8月28日3、CCD光強(qiáng)分布測(cè)量儀其核心是線陣CCD器件。CCD器件是一種可以電掃描的光電二級(jí)管列陣，有面陣（二維）和線陣（一維）之分。LM601/501CCD光強(qiáng)儀所用的是線陣CCD器件,機(jī)殼尺寸為150mm×100mm×50mm，CCD器件的光敏面至光強(qiáng)儀前面板距離為4.5mm。4、

USB100計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集盒用USB接口與計(jì)算機(jī)相連，同時(shí)以DB15插座通過電纜線與LM601/501CCD光強(qiáng)儀后面板上的DB9插座相連。采集盒上有一個(gè)12位的A/D轉(zhuǎn)換器，也就是說可以把CCD器件上每一個(gè)光敏單元上的光強(qiáng)信號(hào)分成4096個(gè)灰度等級(jí)?？臻g分辨率與所使用CCD光強(qiáng)儀的型號(hào)有關(guān)。第二十四頁，共三十三頁，2022年，8月28日5．模擬通信收發(fā)器

模擬通信收發(fā)器由三件儀器組成：模擬通信發(fā)送器、模擬通信接收器和光電池盒。6．半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器輸出光強(qiáng)穩(wěn)定，功率可調(diào)，壽命長。在后面板上有一只調(diào)節(jié)激光強(qiáng)度的電位器，在盒頂和盒側(cè)各有一只做X－Y方向微調(diào)的手輪。7．光具座0.8m長，配三只馬鞍座，其中一只可橫向移動(dòng)，一般用于安置CCD光強(qiáng)儀或光電池盒用。SO2000的各部件的底端都有螺口用以旋入直徑為10mm的立桿，擰緊后插入各馬鞍座里，旋緊馬鞍座的立桿旋鈕，在將馬鞍座置于光具座上，待各部件位置調(diào)好后，旋緊馬鞍座側(cè)面的旋鈕即可完成固定。8、頻率計(jì)采用VC2000智能頻率計(jì)，量程為10Hz~2.4GHz。第二十五頁，共三十三頁，2022年，8月28日實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1.開機(jī)預(yù)熱10分鐘；2.觀察喇曼－納斯衍射和布拉格衍射，比較兩種衍射的實(shí)驗(yàn)條件和特點(diǎn)；3.調(diào)出布喇格衍射，用示波器測(cè)量衍射角，先要解決“定標(biāo)”的問題，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。用微機(jī)測(cè)量衍射角，則只需在軟件上直接讀出X方向上的距離（ch值）和光強(qiáng)度值（A/D值）第二十六頁，共三十三頁，2022年，8月28日4.布拉格衍射下測(cè)量衍射光相當(dāng)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vs。測(cè)出6－8組（Φ，fs）值，在課堂上用計(jì)算器作直線擬合求出Φ和fs的相關(guān)系數(shù)。課后做Φ和fs的關(guān)系曲線。注意實(shí)驗(yàn)原理中布拉格角iB和偏轉(zhuǎn)角Φ都是指介質(zhì)內(nèi)的角度，而直接測(cè)出的角度是空氣中的角度，應(yīng)進(jìn)行換算，聲光器件n＝2.386。由于聲光器件的參數(shù)不可能達(dá)到理論值，實(shí)驗(yàn)中布拉格衍射不是理想的，可能會(huì)出現(xiàn)高級(jí)次衍射光等現(xiàn)象。調(diào)節(jié)布拉格衍射時(shí)，使1級(jí)衍射光最強(qiáng)即可。第二十七頁，共三十三頁，2022年，8月28日L是聲光介質(zhì)的光出射面到CCD線陣光敏面的距離，注意不要忘了加上CCD器件光敏面至光強(qiáng)儀前面板的距離4.5mm；vs的計(jì)算見實(shí)驗(yàn)原理。第二十八頁，共三十三頁，2022年，8月28日5.布拉格衍射下，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，并定出聲光器件的寬帶和中心頻率。6.布拉格衍射下，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)度與超聲波功率的關(guān)系曲線。7.測(cè)定布拉格衍射下的最大衍射效率，衍射效率＝I1/I0，其中，I0為未發(fā)生衍射光強(qiáng)度時(shí)“0級(jí)光”的強(qiáng)度，I1為發(fā)生聲光衍射后1級(jí)光的強(qiáng)度。第二十九頁，共三十三頁，2022年，8月28日8.在喇曼－納斯衍射（光束垂直入射）下，測(cè)量衍射角θm并與理論值比較。9.在喇曼－納斯衍射下，在聲光器件的中心頻率上測(cè)定1級(jí)光的衍射效率，并與布拉格衍射下的最大衍射效率比較。超聲波功率固定在布拉格衍射最佳時(shí)的功率上。在觀察和測(cè)量以前，應(yīng)將整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)調(diào)至共軸。10.完成聲光模擬通信實(shí)驗(yàn)的儀器安裝和調(diào)試：改變