声光衍射实验.doc

声光衍射实验引言 20世纪初，布里渊曾预言：有压缩波存在的液体，当光束沿垂直于压缩波传播方向以一定角度通过时，将产生类似于光栅产生的衍射现象。布里渊的预言，不久被实验所证实。后来，人们不仅在液体中，而且在透明固体中也发现了这种现象。利用压电换能器在透明固体中激发超声波，让光通过，观察到了超声波中的光衍射现象。激光器出现之后，这种实验变得异常简单。自那时起到现在，人们对声光衍射现象作了大量的实验和理论研究。归结起来，声光衍射的实验测量主要包括两方面的内容：1光学测量(测量衍射光强、衍射角、衍射光的偏振方向、衍射光的频率与入射光强、入射角、入射光的波K、驱动源频率、驱动功率、声光互作用介质的关系)；2电输特性测量(行波器件的电输入特性与声光互作用介质、压电换能器、匹配网络的关系；驻波器件的电输入特性与声光互作用介质、压电换能器、匹配网络的关系)。 驻波声光调制器的工作原理 声波是一种弹性波（纵向应力波），在介质中传播时，它使介质产生相应的弹性形变，从而激起介质中各质点沿声波的传播方向振动，引起介质的密度呈疏密相间的交替变化，因此，介质的折射率也随着发生相应的周期性变化。超声场作用的这部分如同一个光学的“相位光栅”，该光栅间距（光栅常数）等于声波波长。当光波通过此介质时，就会产生光的衍射。其衍射光的强度、频率、方向等都随着超声场的变化而变化。 声波在介质中传播分为行波和驻波两种形式。图1所示为某一瞬间超声行波的情况，其中深色部分表示介质受到压缩、密度增大，相应的折射率也增大， 图1 超声行波在介质中的传播 图2 超声驻波 而白色部分表示介质密度减少，对应的折射率也减少。在行波声场作用下，介质折射率的增大或减小交替变化，并以声速（一般为10m/s量级）向前推进。由于声速仅为光速的数十万分之一，所以对光波来说，运动的“声光栅”可以看作是静止的。 F-SGl080型声光效应实验仪利用石英晶体ZF6驻波声光调制器，它由两部分构成，一是声光晶体：声光晶体由压电换能器(XO切石英晶体)和声光互作用介质(ZF6)组成。为了在声光介质中形成驻波，沿声传播方向上声光介质的两个面要严格平行，平行度要优于5。压电换能器与卢光介质焊接成一体。二是驱动源：驱动源是一个正弦波高频功率信号发生器。驱动源提供的正弦高频功率信号(见图3a)，通过匹配网络加到压电换能器上，换能器发出的超声波沿x正方向传播，到达对面后，被全反射，反射波沿x负方向传播，声光介质中如同存在两列频率相同、振幅相等且沿相反方向传播的超声波。 图3b所示就是这种波在十个彼此相等的瞬时间隔时的情况。沿正x方向传播的发射波用虚线表示；沿负x方向传播的反射波用实线表示；它们的叠加用点划线表示。不难看出，叠加波具有相同的波长，只是在空间不产生位移。这种有两个彼此相对的行波组成的振动称为驻波。在驻波中，彼此相距2的各点完全不振动，这些点称为波节。位于两波节中间的点是波腹，这些点上的振动最大。另外，显而易见的是每隔l2T秒，振动即完全消失(图1b中从上往下数3，5，7，9行的瞬时)，驻波的最大值也位于这些瞬时间隔的中间(2，4， 6，8，10)，而且每经过这个时间间隔，在波腹处的振动的相位相反。沿x正方向和负方向传播的振动可以写成如下形式 : 图3 驻波声光调制器（a）； 声光介质中超声驻波的形成过程（b） 应用加法定理可得到合成驻波的表达式 (1)由此可直接得出，在cosKx等于零的各点，位移a恒等于零；这是在x等于2的奇数倍时产生的。cosKx的绝对值最大的点位于这些点的中间。将(1)式对时间微分，即可得到驻波情况质点振动速度的表达式： (2)(2)说明，质点振动速度的波节和波腹与位移的波街和波腹在相同的点上。 现在来研究驻波中声压分布的问题。在沿x方向传播的波中，声压p与沿x方向位移的变化dadx成正比。将(1)式对x微分，得 (3) 声压波节的位置与位移波腹的位置相合或者相反。 图4 驻波中质点振动速度和声压p的分布 图4所示是在驻波中两个时间间隔相差半个周期的速度和声压的分布情况。箭头表示质点运动的方向。不难看出，速度与位移的波节和波腹相距4，且每经过半个周期全部稠密变成稀疏或者与此相反在这两个时期之间，有个时间所有质点的位移都为零。如果振动的频率为f，则驻波的这种“出现”和“消失”在每秒钟内产生2f次。当声波垂直入射到两种介质的分界面上时就会产生驻波。假如分界面两边介质的声阻抗相差很大，则根据边界条件，在界面上有a=0和u=0。因而，正反射点处位移和速度的相位产生180o的突变。在界面处总是发生位移波节和声压波腹。如由分界面两边介质的声阻抗相差不大的表面上反射时，声波的一部分能量转移到第二种介质中，反射的振幅小于发射的振幅。这时，在第一种介质中发生驻波和行波的组合。 现在，我们来讨论在超声驻波的作用下声光介质折射率的变化以及光通过时的衍射情况。在超声驻波的作用下，声光介质的折射率n(x，t)由下式表示： (4) 其中为未加超声时声光介质的折射率：n为声致折射率改变幅值： 是超声波的圆频率：K是超声波的波数。 当一束激光通过时，就会产生类似于光栅产生的衍射现象。在垂直入射情况下，各衍射极大的方位角仍为 (5)各序衍射光的强度为 (6)这个结果说明，超声驻波发生的衍射，各序衍射的方位一如既往，但每一序衍射光束均各受到因子的调制，通过Bessel函数的宗量而附加了一个随时间的起伏，因此各序衍射光束不再象行波的情况那样，只是简单地发生了一个频移的单色光，而是含有多个富里叶分量的复合光束。即： (7) 由此可见超声驻波产生的各级衍光强均以2r 的频率被调制。 驻波声光调制器被广泛用于光速测量、锁模激光器、移频等应用中。 主机箱面板功能： 主机箱“声光效应实验电源”主要功能为声光晶体驱动电压的输出与输出电压的指示、频率调节、被调制信号的接受与放大和还原。各面板元器件作用与功能如下：1、表头 ：3位半数字表头，用于指示声光晶体驱动电压的大小，该显示数值可通过电压旋钮进行调节。 2、电压旋钮：调整范围012V，实验一般调到最大。 3、频率旋钮：调整范围911MHz，调整至适当频率使衍射效果最佳，频率值可在示波器或频率上读出（均需自备）。 4、驱动输出：Q9插座，与声光晶体相连接。 5、波形插座：Q9插座，为输出驱动波形，一般与示波器1通道连接 6、音频插座：3.5mm耳机插座，用于输入音频信号。 实验内容： 实验一 超声驻波场中光衍射的实验观察 图5超声驻波场中光衍射的观察1. 开启激光电源，点亮激光器； 2. 令激光束垂直于声光介质的通光面入射，观察屏上的光点，可观察到三个光点，它们分别由透射光以及声光介质两个通光面反射并进一步经激光器输出镜反射的光线形成，当此三个光点在观察屏上处于与声传播方向相同的一条直线上即可，这时可认为入射光已垂直于声传播方向。（但如果反射回来的光又进入激光器，会引起激光器工作不稳定。） 图6反射光示意图1. 打开电源，开启声光调制器驱动电源，改变频率，观察衍射光斑，同时调节阻抗匹配磁芯（实验室老师调），使衍射最强，观察衍射光斑形状。 2. 改变声光调制器的方位，观察不同入射角情况下的衍射光斑数目。（考虑：为何入射角增大，衍射斑数目减少？） 实验二 观察超声驻波场的像，测量声波的传播速度图7 入射光斑尺寸对衍射光的影响，观察并测量超声驻波场的像1. 移开透镜，重复实验一的步骤，令观察屏上的衍射光点最多 2. 安上透镜，改变透镜与调制器之间的位置，用小孔光阑限定声光调制器前表面入射光斑的尺寸 3. 当入射光充满通光面时，输出超声驻波像的条纹数目N,利用下式计算声光介质中的声速V。 (请推导该公式)式中d是光斑直径，f是超声波的频率。.实验三 测量衍射光强分布，并由此计算光栅常数图8 超声驻波衍射光强的测量1. 重复实验一的步骤，让观察屏上的衍射光点最多。 2. 移开观察屏，用激光功率计测出入射光强 3. 利用光阑分别让0，1，2，3级衍射光打到激光功率计的光敏面上，测出各级衍射光的强度，衍射效率为 4. 改变驱动电压，测量对应的衍射效率，作出衍射效率与驱动电压的关系曲线，并分析衍射效率与驱动电压