聲光效應(yīng)物理實(shí)驗(yàn)報(bào)告

聲光效應(yīng)試驗(yàn)爭論介質(zhì)中傳播的超聲波會(huì)造成介質(zhì)的局部壓縮和伸長。由于彈性應(yīng)變而使介質(zhì)的折射率或介電常數(shù)發(fā)生轉(zhuǎn)變，當(dāng)光通過介質(zhì)時(shí)就會(huì)發(fā)生衍射現(xiàn)象，稱之為聲光效應(yīng)。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。193060年月激光器的問世為聲光現(xiàn)象的爭論供給了抱負(fù)的光源，促進(jìn)了聲光效應(yīng)理論和應(yīng)用爭論的快速進(jìn)展。聲光效應(yīng)為把握激光束的頻率、方向和強(qiáng)度供給了一個(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?！驹囼?yàn)?zāi)康摹苛私饴暪庀嗷プ饔玫脑?。了解喇曼－納斯衍射和布喇格衍射的試驗(yàn)條件和特點(diǎn)。通過對聲光器件衍射效率、中心頻率和帶寬的測量加深對其概念的理解測量聲光偏轉(zhuǎn)和聲光調(diào)制曲線?！驹囼?yàn)儀器】SO20231【試驗(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)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)。有超聲波傳播的介質(zhì)如同一個(gè)相位光柵。聲光效應(yīng)有正常聲光效應(yīng)和反常聲光效應(yīng)之分。在各項(xiàng)同性介質(zhì)中，聲－光相互作用不導(dǎo)致入射光偏振狀態(tài)的變化，產(chǎn)生正常聲光效應(yīng)。在各項(xiàng)異性介質(zhì)中，聲－光相互作用可能導(dǎo)致入射光偏振狀態(tài)的變化，產(chǎn)生反常聲光效應(yīng)。反常聲光效應(yīng)是制造高性能聲光偏轉(zhuǎn)器和可調(diào)濾波器的基礎(chǔ)。正常聲光效應(yīng)可用喇曼－納斯的光柵假設(shè)作出解釋，而反常聲光效應(yīng)不能用光柵假設(shè)作出說明。在非線性光學(xué)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(yùn)用動(dòng)量匹配和失配等概念對正常和反常聲光效應(yīng)都可作出解釋。本試驗(yàn)只涉及到各項(xiàng)同性介質(zhì)中的正常聲光效應(yīng)。設(shè)聲光介質(zhì)中的超聲行波是沿y方向傳播的平面縱波，其ωλk。入射光為沿x方向傳播的平s s s面波，其角頻率為ω，在介質(zhì)中的波長為λ，波矢為。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2化可看成是固定的。由于應(yīng)變而引起的介質(zhì)的折射率的變化由下式打算(1)psn2和SP和S作為標(biāo)量處理，如前所述，應(yīng)變也以行波形式傳播，所以可寫成o s s當(dāng)應(yīng)變較小時(shí)，折射率作為y和tnkn 0 n 式中，為無超聲波時(shí)的介質(zhì)的折射率，△為聲曲折射0n1nps23 0設(shè)光束垂直入射〔k⊥k〕并通過厚度為Ls兩點(diǎn)的相位差為 kn(y,t)L0

sin(wtky)ss式中，k為入射光在真空中的波矢的大小，右邊第一項(xiàng)△0Ф為不存在超聲波時(shí)間波在介質(zhì)前后兩點(diǎn)的相位差，其次項(xiàng)0為超聲波引起的附加相位差〔=k?？?見，當(dāng)平面光波入射在介質(zhì)的前界面上時(shí)，超聲波使出射光3波的波振面變?yōu)橹芷谧兓陌櫿鄄?，從而轉(zhuǎn)變出射光的傳播特性，使光產(chǎn)生衍射。設(shè)入射面上的光振動(dòng)為EA為一常數(shù)，也可i以是復(fù)數(shù)?？紤]到在出射面上各點(diǎn)相位的轉(zhuǎn)變和調(diào)制，xy平面內(nèi)離出射面很遠(yuǎn)一點(diǎn)的衍射光疊加結(jié)果為iwt

b eisin(k b2

yws

t)eik0

ysindy式中，b為光束寬度，θ為衍射角，C為與A有關(guān)的常數(shù)，為了簡潔可取為實(shí)數(shù)。分析可知與第級(jí)衍射有關(guān)的項(xiàng)為EEmstm 00 mk0

k0)/2s 0取極大值，因此有衍射極大的方位角θ由下式打算：msinm

kmks

m00 s式中，λ為真空中光的波長，λ為介質(zhì)中超聲波的波長。0 s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)于一光柵常數(shù)為超聲波長的光柵。由ω為mw wmwm s可見，衍射光照舊是單色光，但發(fā)生了頻移。>>ω，s這種頻移是很小的。4mI EE*C2J2)IJ2)m 0 m 0 mE﹡為EI20 0 0級(jí)衍射極大的衍射效率η定義為第級(jí)衍射光的強(qiáng)度m與入射光的強(qiáng)度之比。由〕η正比于J2。m m當(dāng)JJ。由〕式和〕-m m式說明，各級(jí)衍射光相對于零級(jí)對稱分布。當(dāng)光束斜入射時(shí)，假設(shè)聲光作用的距離滿足L<λ2s各級(jí)衍射極大的方位角θ 由下式?jīng)Q定0sin m

sin i ms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－納斯衍射，相當(dāng)于一個(gè)入射光子連續(xù)同幾個(gè)聲子相互作用的情形，因此喇曼－納斯衍射是多極衍射。有超聲波存在的介質(zhì)起一平面位光柵的作用。當(dāng)聲光作用的距離滿足s波波面以某一角度斜入射時(shí)，0級(jí)之外，只與晶體對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(shí)有超聲波存在的介質(zhì)起體積光柵的作用。5可以證明，布喇格角滿足 上式稱為布拉格條件。試驗(yàn)儀器介紹

sini B 2s一套完整的聲光效應(yīng)試驗(yàn)儀配有：已安裝在轉(zhuǎn)角功率信號(hào)源、LM601CCD光強(qiáng)分布測量儀及光具座。聲光器件聲光器件的構(gòu)造示意如圖3所示。它由聲光介質(zhì)、壓電換能器和吸聲材料組成。本試驗(yàn)承受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取通過介質(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，也可到達(dá)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。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。為了獲得最正確的電聲能量轉(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f 。對c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6衍射光的相對光強(qiáng)〕下降即衍射效率降到最大值的時(shí)兩頻率間的間隔為聲光器件的帶寬。聲光器件安裝在一個(gè)透亮塑料盒內(nèi)，置于轉(zhuǎn)交平臺(tái)上。盒上有一插座，用于和功率信號(hào)源的聲光插座相連。透亮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)，從而轉(zhuǎn)變激光射入聲光器件的角度。功率信號(hào)源SO202380~120MHz，最大輸出功率為1W。CCD其核心是線陣CCDCCD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CCD150mm×100mm×50mm，CCD器件的光敏面至光強(qiáng)儀前面板距離4.5mm。USB100用USBDB15LM601/501CCD光強(qiáng)儀后面板上的DB9插座相連。采集盒上有一12A/DCCD單元上的光強(qiáng)信號(hào)分成40967使用CCD5．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。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)整激光強(qiáng)度的電位器，在盒頂和盒側(cè)各有一只做X－Y光具座0.8m安置CCDSO2023的各部件的底端都有螺口用以旋入直徑為10mm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。頻率計(jì)承受VC202310Hz~2.4GHz?！驹囼?yàn)內(nèi)容】10觀看喇曼－納斯衍射和布拉格衍射，比較兩種衍射的試驗(yàn)條件和特點(diǎn)；調(diào)出布喇格衍射，用示波器測量衍射角，先要解決“定標(biāo)”的問題，即示波器X1CCD81CCDX用微機(jī)測量衍射角，則只需在軟件上直接讀出X布拉格衍射下測量衍射光相當(dāng)于入射光的偏轉(zhuǎn)角Φ與超聲波頻率〔即電信號(hào)頻率fsvs6－8〔Φ，fs〕值，在課堂上用計(jì)算器作直線擬合求出Φ和fsΦ和fs的關(guān)系曲線。留意式〔13〕和〔14〕中布拉格角iBΦ都是指介質(zhì)內(nèi)的角度，而直接測出的角度是空氣中的角度，應(yīng)進(jìn)展換算，聲光器件n＝2.386。由于聲光器件的參數(shù)不行能到達(dá)理論值，試驗(yàn)中布拉格衍射不是抱負(fù)的，可能會(huì)消滅高級(jí)次衍射光等現(xiàn)象。調(diào)整布拉格衍射時(shí)，使1數(shù)

01光的偏轉(zhuǎn)格數(shù)

0光的偏轉(zhuǎn)距離〔mm〕

L(mm)

fs(MHZ)

1 0Vs 級(jí)光 級(jí)光高高度 度1.04.9340.85.15813.7.00092.000146007.179.00502.07.505.3340.90.15617.052.000156008.499.00003.07.905.6340.95.15719.032.000165001.809.50004.08.205.8340.10015914.042.000171.004.002.100095.08.806.2340.10515561.072.00018