聲光效應(yīng)與聲光調(diào)制原理實(shí)驗(yàn)

個人資料整理 僅限學(xué)習(xí)使用【實(shí)驗(yàn)名稱】 聲光效應(yīng)與聲光調(diào)制綜合實(shí)驗(yàn)利用聲光效應(yīng)實(shí)現(xiàn)光輻射的調(diào)制在光通信、光信息處理、光測量與控制、激光調(diào) Q和鎖模等方面有著重要的應(yīng)用，【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?.了解聲光相互作用的原理和實(shí)質(zhì)2.掌握喇曼－奈斯和布拉格衍射的基本原理和工作特性3.利用喇曼－奈斯衍射測量聲波波長和通過測量各階衍射強(qiáng)度驗(yàn)證理論的正確性4.5.掌握利用聲光調(diào)制器傳送信號的基本方法【實(shí)驗(yàn)原理】彈光效應(yīng)與彈光系數(shù)聲光效應(yīng)指聲波對光的衍射現(xiàn)象。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)生相對位移，將引起介質(zhì)內(nèi)部密度的起伏或周期變化，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介質(zhì)折射率變化的現(xiàn)象稱為彈光效應(yīng)。當(dāng)光波橫向通過介質(zhì)時(shí)，介質(zhì)對光的作用相當(dāng)于一個衍射光柵，光柵條紋的間隔等于超聲波的波長，它將使光束發(fā)生偏轉(zhuǎn)，這種在聲波場作用下產(chǎn)生的對光波場的調(diào)制現(xiàn)象則稱為聲光效應(yīng)。b5E2RGbCAP由物理光學(xué)，因彈性應(yīng)變作用導(dǎo)致折射率的改變量是<1）相應(yīng)的折射率橢球方程<2）其中 是應(yīng)變張量矩陣元， 是四階張量應(yīng)變彈光系數(shù)張量。 的具體形式是<3）式中 表示位置矢量 處的某點(diǎn)相對平衡位置的偏移在 方向上的投影。由于彈光效應(yīng)也是一種二次非線性電極化過程，于是由 p1EanqFDPw<4a）得到 <4b）因此，在光電場 同時(shí)存在的情況下，由應(yīng)變引起的電極化改變量為1/15個人資料整理 僅限學(xué)習(xí)使用<5）此式給出了電極化場與光電場和應(yīng)變場之間的關(guān)系，明確表示出彈光效應(yīng)是一種非線性效應(yīng)，其實(shí)質(zhì)就是兩個不同頻率光波和一個聲波相互作用的過程。 DXDiTa9E3d一般情況下， 和 均是對稱二階張量，因此應(yīng)變 和彈光系數(shù) 可做下標(biāo)簡化，分別改寫為 和 。于是可將<1）式寫成如下矩陣形式 RTCrpUDGiT<6）上式彈光系數(shù)張量中在對稱性的限制下，實(shí)際的獨(dú)立元素?cái)?shù)目會有所減少。2.聲光相互作用當(dāng)聲波通過介質(zhì)傳播時(shí)，介質(zhì)就會產(chǎn)生和聲波信號相應(yīng)的、隨時(shí)間和空間周期性變化的彈性形變，導(dǎo)致介質(zhì)折射率的周期性變化。這部分受擾動的介質(zhì)等效為一個“相位光柵”，其光柵常數(shù)就是聲波波長 ，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：行波場形成的超生光柵的柵面在空間時(shí)移動的，而駐波場形成的超生光柵柵面是駐立不動的。5PCzVD7HxA首先考慮行波的情況，設(shè)平面縱聲波在介質(zhì)中沿 x方向傳播，聲波擾動介質(zhì)中的質(zhì)點(diǎn)位移可寫成<7）是質(zhì)點(diǎn)振動的振幅， 是聲波頻率， 是聲波波矢量的模。相應(yīng)的應(yīng)變場是(8>對各向同性介質(zhì)，折射率分布為(9>聲行波在某一瞬時(shí)對介質(zhì)的作用情況如圖 1所示。圖中密集區(qū) <黑）表示介質(zhì)受的壓縮，密度增大，相應(yīng)的折射率也增大。稀疏區(qū) <白）表示介質(zhì)密度變小，折射率減小。介質(zhì)折射2/15個人資料整理 僅限學(xué)習(xí)使用率 增大或減小呈現(xiàn)交替變化，變化的周期是聲波周期，同時(shí)又以聲速 向前傳播。jLBHrnAILg圖1聲行波形成的超聲光柵對于駐波的情況，考慮兩個相向傳播的同頻聲行波的疊加，質(zhì)點(diǎn)位移可以寫成(10>而介質(zhì)折射率為(11>因駐波效應(yīng)(11>式中的 應(yīng)是(9>式的 2倍。圖 2給出了生駐波情況下介質(zhì)折射率的變化情況，其中在 和 圖中的曲線表示左、右行波。從圖中可見，聲波在一個周期 之內(nèi)，介質(zhì)呈現(xiàn)兩層疏密層結(jié)構(gòu)，在波節(jié)處介質(zhì)密度保持不變，因而在波腹處折射率每隔半個周期 就變化一次。這樣，作為超聲光柵，它將交替出現(xiàn)和消失，其交替變化的頻率為原駐波周期的二倍，即 。xHAQX74J0X圖2.聲駐波形成的超聲光柵3/15個人資料整理 僅限學(xué)習(xí)使用下面我們從量子角度分析聲波場與光波場間的相互作用。當(dāng)一束單色光通過因彈光效應(yīng)導(dǎo)致折射率發(fā)生周期性變化的介質(zhì)時(shí)，光波要受到聲波的調(diào)制。從波粒二象性角度看，可以把波矢為 、頻率為 的聲波看成是動量為 、能量為 的聲子流；而將波矢為 ，頻率為 的光波看成是動量為 ,能量為 的光子流。聲光的相互作用可認(rèn)為是聲子與光子單個碰撞的綜合效應(yīng)。一個入射光子同一個聲子碰撞，產(chǎn)生一個衍射光子，導(dǎo)致入射光和聲子的湮滅。在這個碰撞中，要求滿足動量守恒和能量守恒，所以衍射光子的動量和能量必定要分別等于入射光子和聲子的動量總和和能量總和。于是有 LDAYtRyKfE<12）取正號時(shí)，對應(yīng)一個能量為 ,動量為 的入射光子和一個能量為 ,動量為 的聲子的湮滅，同時(shí)產(chǎn)生一個能量為 ,動量為 的衍射光子。取負(fù)號時(shí) ,正好反之。Zzz6ZB2Ltk按超聲波頻率的高低和聲光作用的超聲場長度的大小，聲光衍射現(xiàn)象可分為兩類，即喇曼－奈斯衍射<Ram-Nath）和布拉格<Bragg）衍射。為了量化區(qū)分，引入物理量，這里是入射波長，是聲波波長，是聲光相互作用的長度。當(dāng)<<1時(shí)，聲波波長較大，較小，屬于喇曼-奈斯衍射，工程上一般在0.3時(shí)，可以觀測到喇曼-奈斯聲光衍射；>>1時(shí)，聲波波長較小，較大,屬于布拉格衍射，工程上一般在4π時(shí)可以觀測到布拉格聲光衍射；當(dāng)時(shí)，衍射較復(fù)雜，聲光器件無法工作。dvzfvkwMI13.喇曼—奈斯衍射若聲波頻率較低，因聲波比光速小的多，在聲波通過介質(zhì)的時(shí)間內(nèi)，折射率的變化忽略不計(jì)；另外，聲波束寬度較窄，即聲光介質(zhì)的通光厚度很薄如同平面。因此，此時(shí)的聲光介質(zhì)可看成相對靜止的“平面位相光柵”。通過介質(zhì)光密部分的光波波面將滯后，而通過光疏部分光波波面將超前，于是平面光波垂直于聲波場方向入射并通過聲光介質(zhì)后，出射光波的波面將變成曲面。由惠更斯-非捏爾衍射理論，出射波面上各個波元發(fā)出的次級波相互干涉，在空間形成相對的入射方向?qū)ΨQ分布的多級衍射條紋，這種正入射于薄片式平面光柵后所產(chǎn)生的多級衍射現(xiàn)象就是喇曼-奈斯衍射典型的特征，如圖3所示。rqyn14ZNXI4/15個人資料整理 僅限學(xué)習(xí)使用圖3.平面位相光柵產(chǎn)生的喇曼－奈斯衍射理論分析表明，喇曼－奈斯多級衍射光場的振動是一系列辛格函數(shù)疊加 <詳見【 附錄】）。因此，只有下式條件成立 EmxvxOtOco<13）時(shí)，衍射光場才會有極值，那些不滿足這一條件的成分迅速為零，對遠(yuǎn)場的光振動幾乎沒有貢獻(xiàn)。這說明，光波通過聲光介質(zhì)后，遠(yuǎn)場光波分裂成一組衍射波場，他們分別對應(yīng)于由<13）式?jīng)Q定的衍射角<級衍射光與入射光方向的夾角）。各級衍射光的強(qiáng)度由下式?jīng)Q定SixE2yXPq5<14）其中 為 階貝塞爾函數(shù)， 是聲波場感應(yīng)相位延遲。因，故零級衍射兩側(cè)的同級次衍射光強(qiáng)度相等。這種各級衍射光強(qiáng)的對稱分布是喇曼-奈斯衍射的主要特征之一，而且 6ewMyirQFL<15）說明聲光衍射過程中，總衍射光功率保持守恒。對于頻率為的單色光入射，衍射光將出現(xiàn)在<13）式?jīng)Q定的一系列方向上。各級衍射場具有的形式為<16）這說明第 級衍射光產(chǎn)生一個大小為 的頻移，根據(jù)<14）式和<16）式討論的結(jié)果，圖 4給出了各個衍射光相應(yīng)的空域和頻域分布。不難看出，衍射光波空間分布和頻譜分布具有一一對應(yīng)關(guān)系。 kavU42VRUs5/15個人資料整理 僅限學(xué)習(xí)使用<a）各階衍射光的空間分布 <b）各階衍射光的頻率分布圖4.各級喇曼－奈斯衍射光的空域和頻域分布根據(jù)貝塞爾函數(shù)的性質(zhì)和 <15）式的結(jié)論知 ,當(dāng)參數(shù) 變大時(shí)，零級光將功率向各級光饋送；反之，當(dāng) 變小時(shí)，各級衍射光又將功率返回給零級。當(dāng) 一定時(shí)，各級衍射光的功率不同，它們之間的強(qiáng)度比是 y6v3ALoS89<17）現(xiàn)在進(jìn)一步分析產(chǎn)生喇曼 -奈斯多級衍射的條件。由于介質(zhì)條紋的周期就是聲波波長，可設(shè)聲光介質(zhì)的光密層和光疏層按厚度 交替改變，如圖 5所示。M2ub6vSTnP圖5.喇曼－奈斯衍射條件的建立設(shè) 是 與入射光方向的夾角，由圖 5可以看出，介質(zhì)寬度 。由介質(zhì)縫隙形成的衍射光在 = ( 是 與 的交點(diǎn)>時(shí)達(dá)到極小值。在內(nèi)，有 。只要聲波束寬度 滿足如下關(guān)系時(shí)即可形成喇曼－奈斯衍射0YujCfmUCw6/15個人資料整理 僅限學(xué)習(xí)使用<18）式中 為入射光的真空波長， 為聲光介質(zhì)的折射率，此式就是喇曼－奈斯衍射條件。4．布喇格聲光衍射如果聲波頻率較高，且聲光作用長度較大，使 <18）式的條件不再成立，此時(shí)的聲擾動介質(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，使高級衍射光相互抵消，只出現(xiàn) 0級和 1級的衍射光，這就是布喇格聲光衍射，如圖 6所示，這種衍射形式效率較高，有利于制成各種實(shí)用器件。 eUts8ZQVRd圖6.聲光布拉格衍射<1）布喇格衍射條件在布喇格衍射條件下，可以采用類似于晶體對 光衍射的方法進(jìn)行處理，即把聲波造成介質(zhì)折射率的周期變化看成是一系列等間距放置的反射鏡面，間距為聲波波長 ，而且這些鏡面是以聲速 運(yùn)動。sQsAEJkW5T設(shè)波長為 的光束沿掠射角 方向入射到鏡面上，衍射角是 ，如圖7所示。圖7.入射光束在鏡面上發(fā)生衍射顯然，要想在方向產(chǎn)生衍射極值，兩光線的光程差必須是入射光波波長的整數(shù)倍，即應(yīng)當(dāng)滿足<19）要想使鏡面上所有的點(diǎn)都滿足這一關(guān)系，則 必須為零，于是有7/15個人資料整理 僅限學(xué)習(xí)使用<20）這表明衍射光方向滿足反射定律的要求。再考慮兩個聲學(xué)反射鏡面的反射光，它們的光程差也是波長的整數(shù)倍。從圖8看到，這個條件可以寫成GMsIasNXkA<21）該式稱為布喇格衍射條件。它與晶體中 光衍射十分相似。實(shí)際上，這些聲光鏡面還以聲速 移動，由于多普勒效應(yīng)，衍射光發(fā)生頻移，可以證明，入射光頻率 和衍射光頻率之間的關(guān)系是 TIrRGchYzg<22）<22）式中的“+”號對應(yīng)于聲速迎著入射光方向，而“ -”號是背著入射光的方向。其中<23）<2）布喇格聲光衍射效率由于發(fā)生布拉格聲光衍射時(shí)，聲光相互作用長度較大，屬于體光柵情況。理論分析表明，在聲波場的作用下入射光和衍射光之間存在如下關(guān)系 <詳見【附錄】）。7EqZcWLZNX<24）式中和分別為入射和衍射光場，這為我們描述兩個光場的能量轉(zhuǎn)換效率提供了方便。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 ，即<25）若通過調(diào)節(jié)作用長度 ，使 ，則有 ，這時(shí)入射光束的全部能量都將被轉(zhuǎn)換成衍射光能量。這一點(diǎn)正是布拉格衍射優(yōu)于喇曼 -奈斯衍射之處，它能夠得到廣泛應(yīng)用的原因之一。lzq7IGf02E由于 ，注意到 ＝ 。因此，<25）式可寫為<26）8/15個人資料整理 僅限學(xué)習(xí)使用式中 是傳播距離 后位相改變量。引入有效彈光系數(shù) 和有效應(yīng)變 ，則<27）其中有效應(yīng)變 同聲波場強(qiáng)度 的關(guān)系是<28）式中 是聲速， 是介質(zhì)密度。于是 <26）式寫成<29）定義 為聲光晶體衍射的品質(zhì)因數(shù)。由上式可以看出，衍射效率與聲波強(qiáng)度 成正比，因此，可利用信息信號對聲波強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)制，就可以通過聲光調(diào)制作用實(shí)現(xiàn)對光輻射的調(diào)制。 zvpgeqJ1hk【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟】聲光喇曼－奈斯衍射<1）測量喇曼－奈斯衍射的各級衍射角由 關(guān)系 式 知 ， 當(dāng) 時(shí)， ；時(shí)， ；類似地有 ； 等。故存在下列關(guān)系 <30）因此，只要測量出各級衍射光的衍射角 ，即可驗(yàn)證上式的正確性。在實(shí)驗(yàn)教師指導(dǎo)下，連接好喇曼－奈斯聲光調(diào)制器與驅(qū)動器以及驅(qū)動器與直流電源；打開氦氖激光器電源開關(guān)，通過小孔光闌觀察激光在聲光晶體表面反射回來的像點(diǎn)，使激光正入射聲光晶體，小心調(diào)整晶體直至在光屏上出現(xiàn)清晰的喇曼－奈斯衍射光斑；NrpoJac3v1首先在帶有白紙的光屏上第一次標(biāo)記出各級衍射光斑的中心位置和相應(yīng)的級次，并通過零級光斑鉛直向下畫一條豎線。然后沿零級衍射光的方向向后或向前移動距離9/15個人資料整理 僅限學(xué)習(xí)使用，記錄 的數(shù)值。上下移動白紙一小段距離，用先前畫好的豎線對準(zhǔn)零級后，再次進(jìn)行標(biāo)記，測量和記錄同級光斑中心在兩次標(biāo)記間的移動距離。 1nowfTG4KId. 重復(fù)步驟 c三次，計(jì)算各級衍射光的衍射角 的平均值，驗(yàn)證 <30）式是否正確。<2）利用一級衍射獲得聲波波長或聲光介質(zhì)折射率a. 由已得到一級衍射角的平均值 ，利用 ，當(dāng)折射率 已知時(shí)<例如，鈮酸鋰），可以得到驅(qū)動聲波的波長；b. 當(dāng)聲波的波長 已知時(shí)<廠家提供數(shù)值），就可以測得聲光介質(zhì)的折射率。<3）測量和比較各級衍射光強(qiáng)度，繪出強(qiáng)度分布曲線精細(xì)調(diào)整晶體和激光器，使衍射光斑強(qiáng)度在視覺上呈中心對稱，用帶有小孔的光探頭分別測量各級衍射光功率，比較對稱的同級光斑強(qiáng)度是否對稱； fjnFLDa5Zob.在坐標(biāo)紙上以縱軸為強(qiáng)度 <或功率），橫軸為級次，繪出衍射光強(qiáng)度分布曲線。聲光布拉格衍射<1）測量布拉格角見圖8，打開激光器和聲光調(diào)整器，調(diào)整聲光晶體方位角使布拉格衍射效率最高。在激光器與聲光晶體之間插入帶有小孔的光闌，使光束穿過小孔。 tfnNhnE6e5采用類似上述測量喇曼－奈斯衍射光的方法定位零級衍射光與負(fù)一級衍射光的角度。<也可利用小孔光闌在聲光晶體前表面反射后留在小孔光闌背后的刻度尺上的光斑進(jìn)行測量，想一想怎么測？）HbmVN777sL圖8.零級衍射光與負(fù)一級衍射光的角度關(guān)系<2）測量衍射效率 ,由衍射效率獲得位相改變量 和折射率改變量a.b.10/15個人資料整理 僅限學(xué)習(xí)使用<3）利用聲光調(diào)制實(shí)現(xiàn)信號傳輸a.按實(shí)驗(yàn)框圖 9連接各實(shí)驗(yàn)儀器，仔細(xì)檢查，確信無誤后再進(jìn)行下一步操作；仔細(xì)調(diào)整一級布拉格衍射光斑，以其達(dá)到最佳轉(zhuǎn)換效率；先在光探頭上粘貼一小塊白紙用來對測試光進(jìn)行衰減，仔細(xì)調(diào)整光探頭與測試光斑對準(zhǔn)；d.分別打開聲光調(diào)制信號發(fā)生器的電源和接收放大器的電源，如果發(fā)送的信號為音樂,應(yīng)在接收放大器輸出端的喇叭中播放出音樂。若未能出現(xiàn)聲音或聲音效果不好，仔細(xì)檢查排除故障或細(xì)微調(diào)整改善效果；實(shí)驗(yàn)完畢后，先關(guān)閉調(diào)制信號和放大器電源，再關(guān)閉聲光驅(qū)動器電源，最后關(guān)閉激光器電源。圖9.利用聲光調(diào)制實(shí)現(xiàn)信號傳輸?shù)难b置圖【思考題】為什么聲光衍射會存在兩種類型，彼此對應(yīng)的是何種光柵類型？在拉曼-奈斯型聲光衍射中，分別采用行波場和駐波場對條紋會產(chǎn)生何種影響？利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分別計(jì)算拉曼-奈斯型聲光衍射和布拉格型聲光衍射的效率。試述聲光衍射效應(yīng)的優(yōu)、缺點(diǎn)以及拉曼-奈斯型聲光衍射和布拉格型聲光衍射的優(yōu)缺點(diǎn)？設(shè)想拉曼-奈斯型聲光衍射和布拉格型聲光衍射各自可能地應(yīng)用場合以及制約聲光器件大量應(yīng)用的技術(shù)瓶頸是什么？在布拉格衍射條件下為什么除了0、-1和+1級條紋外，還存在高級條紋，它們是怎么產(chǎn)生的？在進(jìn)行聲光調(diào)制實(shí)驗(yàn)中信號會不會出現(xiàn)失真，如何提高信號完整性？【實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)】首先,要特別注意人身安全，由于激光的光強(qiáng)比較大，所以絕對不能讓激光直接打到眼睛上；此外，激光電源紅黑插頭間電壓較高，操作時(shí)一定特別注意用電安全。2.實(shí)驗(yàn)時(shí)還要保證實(shí)驗(yàn)儀器的安全：<1）激光器的電源插孔，紅對紅，黑對黑，不可反接；若激光器接通電源 3秒后，激光管中無激光輸出，則需要關(guān)掉電源，重新檢查是否正確接好電路，檢查無誤后，再次開電源。切忌不可在無光情況下，長時(shí)間開電源，以免燒毀電源，正常激光器出光并穩(wěn)定后，可以開啟聲光調(diào)制器，加載聲光調(diào)制信號；同樣在關(guān)閉激光管時(shí)，應(yīng)先關(guān)掉聲光調(diào)制信號，然后再關(guān)閉激光電源。 V7l4jRB8Hs<2）由于激光的光強(qiáng)較大，所以在調(diào)制信號接受器上應(yīng)該粘貼衰減紙來保護(hù)接受放大器的傳感器。<3）本實(shí)驗(yàn)儀器比較精密和貴重，所以一定注意保護(hù)微調(diào)架，在調(diào)節(jié)微調(diào)架時(shí)要輕調(diào)，不可用力過大，以免弄壞微調(diào)架。83lcPA59W9【附錄】喇曼－奈斯衍射光場與強(qiáng)度設(shè)平面聲行波在寬度為 的介質(zhì)中沿 方向傳播，介質(zhì)中折射率分布為<1）取入射光波沿 軸傳播，在輸入面 < ）的光場為11/15個人資料整理 僅限學(xué)習(xí)使用<2）在輸出面< ）的透射場是<3）將<1）式代入上式，則<4）<5）<6）式中 為不存在聲波場時(shí)光波通過介質(zhì)的固定相位延遲， 是聲波場感應(yīng)的相位延遲。現(xiàn)將出射波面分割成許多子波元，在遠(yuǎn)場中某一點(diǎn) 處的光振動是這些子波元在該點(diǎn)各自產(chǎn)生振動的疊加。考察距離光束中心為 ,寬度為 的子波元，該子波元到 點(diǎn)的距離為 ，而中心點(diǎn) 到 點(diǎn)的距離是 ，則 ，如圖4所示。mZkklkzaaP圖4喇曼－奈斯衍射光場計(jì)算該子波元在 點(diǎn)產(chǎn)生的光振動可以利用 (4>式求出，即則 點(diǎn)的總衍射光場是這些子波元產(chǎn)生的光振動的疊加，即<7）由貝塞爾函數(shù)展開式<8）12/15個人資料整理 僅限學(xué)習(xí)使用<9）點(diǎn)的衍射光振動可改寫為<10）顯然， 點(diǎn)的光振動正比于下式的求和 ,是一系列貝塞爾函數(shù)和辛格函數(shù)疊加<11）當(dāng)辛格函