近代物理实验之声光效应.docx

声光效应年级专业 中山大学 08光信息科学与技术 实验者 曾令宇08323045合作者 冯劼 08323034 日期 2010.10.26/2010.11.2【实验目的】1理解声光效应的原理，了解Raman-Nath衍射和Bragg衍射的分别。2通过对声光器件衍射效率，中心频率和带宽等的测量，加深对其概念的理解。3测量声光偏转和声光调制曲线。4模拟激光通讯实验。【实验原理】（一）声光效应的物理本质光弹效应介质的光学性质通常用折射率椭球方程描述ijxixj=1 Pockels效应：介质中存在声场，介质内部就受到应力，发生声应变，从而引起介质光学性质发生变化，这种变化反映在介质光折射率的或者折射率椭球方程系数的变化上。在一级近似下，有 ij=PijklSkl 各向同性介质中声纵波的情况，折射率n和光弹系数P都可以看作常量，得 ，应变 表示在x方向传播的声应变波，S0是应变的幅值，是介质中的声波数，为角频率，vs为介质中声速，为声波长。P表示单位应变所应起的的变化，为光弹系数。又得， 其中是“声致折射率变化”的幅值。考虑如图一的情况，压电换能器将驱动信号U（t）转换成声信号，入射平面波与声波在介质中（共面）相遇，当光通过线度为l的声光互作用介质时，其相位改变为： 其中为真空中光波数，是真空中的光波长，为光通过不存在超声波的介质后的位相滞后，项为由于介质中存在超声波而引起的光的附加位相延迟。它在x方向周期性的变化，犹如光栅一般，故称为位相光栅。这就使得光的波阵面由原先的平面变为周期性的位相绉折，改变了光的传播方向，也就产生了所谓的衍射。与此同时，光强分布在时间和空间上又做重新分配，也就是衍射光强受到了声调制。图1 超声波引起的位相光栅对入射光的衍射（二）声光光偏转和光平移把入射单色平面光波近似看作光子和声子。声光相互作用可以归结为光子和声子的弹性碰撞，这种碰撞应当遵守动量守恒和能量守恒定律，前者导致光偏转，后者导致光频移。这种碰撞存在着两种可能的情况即声子的吸收过程和声子的受激发射过程，在声子吸收的情况下，每产生一个衍射光子，需要吸收一个声子。在声子受激发射的情况下，一个入射声子激发一个散射光子和另一个与之具有相同动量和能量的声子的发射。入射光和衍射光处于相同的偏振状态，相应的折射率相同，称为正常声光效应。在正常声光作用情况下，从而，有，称为Bragg角，于是（Bragg条件）与描述X光晶格衍射的Bragg定律得对比，相当于介质中X光波长，相当于晶格常数，所以人们沿用这一名称，称为Bragg条件。满足Bragg条件是，只有唯一的衍射级，上移或下移，但不同时存在。衍射光相对于入色光的偏转角 或 其中是与声频变化范围相应的衍射光扫过的角度。通常把衍射光强从极大值下降3dB所相应的频宽定义作半功率带宽或Bragg带宽，记作。此外还存在另一类所谓Raman-Nath衍射。图2 Bragg衍射的示意图相当于一个入射光子连续同几个声子相互作用的情形。有上标（m）表示m级衍射，m取正，负整数值。同样可近似认为，于是有 从光栅角度来说，Raman-Nath衍射，使当超声频率较低，光线平行于声波面入射时，当光波通过声光介质时，几乎不经过声波波面，因此它只受到相位调制，声波的作用可视为一个平面相位光栅。故平行入射光束通过时，将产生多级衍射光。而Bragg衍射，是当超声频率较高，声光作用长度L较大，而且光束与声波面间以一定角度写入射，光波在介质中要穿过多个声波面，故介质具有体光栅的性质不能用平面相位光栅来描述。Raman-Nath 衍射是多级衍射。图3 Raman-Nathy衍射的示意图（三）衍射效率在Raman-Nath近似下，即k2L2k2其中L为声光互作用长度。第m级衍射光的振幅为Emy=E0exp-j12mKytgiJm2ysincKL2cosisini+mKkm级衍射效率即m级衍射光强同入射光强之比为Rm=ImI0=EmLE*LE00E*0=Jm22sincKL2cosisini+mKk其中E0为入射光振幅，=1410Kcosi，0为介质中无声场时的介电常数，1为声致介电常数变化的幅值。Bragg衍射效率即1级衍射光强同入射光强之比：B=I1I0=E1LE*LE0LE*L=()2sin2L=(L)2sinc2L其中2=(12)2+2。当1=Kcosisini+K2k=0 即i=-B时= 则B= sin2L注意到的表达式及10=nn 及n=12n3PS，声功率Pa=12E|S|2vsLH 其中杨氏模量E=vs2，LH是压电换能器的面积，故B= sin220cosiM2PaLH其中M2=n2P2/vs是物质常数。理论上布喇格衍射的衍射效率可达到100%，喇曼-纳斯衍射中一级衍射光的最大衍射效率仅为34%，所以实用的声光器件一般都采用布喇格衍射。【实验仪器】声光器件，功率信号源，CCD光强分布测量仪，USB100计算机数据采集盒，模拟通信收发器，光电池盒，半导体激光器，光具座，示波器和频率计等。本实验所用仪器为SO2000声光效应实验仪，可完成基本声光效应实验和声光模拟通信实验，如图4和图5。信号同步声光功率信号源激光器转角平台光强分布测量仪YX示波器频率计 图4 声光效应实验装置 声光功率信号源激光器转角平台YX示波器图5 模拟通信实验安装图光电池盒模拟通信接收器模拟通信发送器【实验内容】1 认真阅读声光效应仪的说明书，正确连接各个部件。调节激光器和声光晶体至布喇格衍射最佳位置。2 观察喇曼-纳斯衍射和布喇格衍射，比较两种衍射的实验条件和特点；3 调出布喇格衍射，对示波器定标。 用示波器测量衍射角，先要解决“定标”的问题，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方向上的多少距离。5 布喇格衍射下测量衍射光相对于入射光的偏转角与超声波频率（即电信号频率）fs的关系曲线，并计算声速s。测出68组（，fs）值。6 布喇格衍射下，固定超声波功率，测量衍射光相对于零级衍射光的相对强度与超声波频率的关系曲线，并定出声光器件的带宽和中心频率。要测量10个点以上。7 测定布喇格衍射下的最大衍射效率，衍射效率 = ，其中，为未发生声光衍射时0级光的强度，为1级光的强度。8 布喇格衍射下，将功率信号源的超声波频率固定在声光器件的中心频率上，测出衍射光强度与超声波功率的关系曲线。9 在喇曼-纳斯衍射（光束垂直入射）下，测量衍射角m，并与理论值比较。10 在喇曼-纳斯衍射下，在声光器件的中心频率上测定1级衍射光的衍射效率，并与布喇格衍射下的最大衍射效率比较。11 完成声光模拟通信实验的仪器安装和调试；改变超声波功率，注意观察 模拟通信接收器送出的音乐的变化，分析原因。【实验过程与数据处理】1观察喇曼-纳斯衍射和布喇格衍射，比较两种衍射的实验条件和特点。在示波器上，喇曼-纳斯衍射有多个峰，对应0级衍射光和其他级衍射光；而布喇格衍射只有两个峰，对应0级衍射光和1级衍射光。实验条件：衍射角不同，需调节转角平台的角度。一般激光的光强要调弱一些。2 调出布喇格衍射，对示波器定标。调出布喇格衍射，在示波器上可看到一大一小的两个波峰，分别对应于0级及1级的衍射光，测量其峰的中心线的间隔为8.2格。光敏元件的尺寸为11m11m，CCD的像元为2700个，折射率为n=2.386，故示波器上每一大格对应的空气中的实际空间距离为2700118.22.386m=1518.0m=1.518mm一大格有5小格，则每小格对应的实际空间距离为：1.5185=0.304mm3在布喇格衍射条件下测量衍射光相对于入射光的偏转角与超声波频率的关系曲线，并计算声速。测出6-10组的值，如表1表1和fs的声光偏转关系本实验采用的激光光源波长为0=650nm,声光器件到CCD间的距离为L=354.5mm。频率fs/MHz0级光与1级光相距的格数实际的偏转距离L/mm偏转角/rad声速Vs/(m/s)80.06.52.0 0.0056 3915.0 85.37.02.1 0.0060 3876.2 90.17.52.3 0.0064 3821.4 95.07.72.3 0.0066 3924.6 100.18.22.5 0.0070 3883.1 105.08.52.6 0.0073 3929.4 110.09.02.7 0.0077 3887.8 114.99.52.9 0.0081 3847.3 实际的偏转距离L=偏转格数每一小格代表的空间距离因偏转角度极小，故偏转角近似为 =LL 声速 vs=0fsn画出偏转角与超声波频率fs的关系曲线如图1图1 偏转角与超声波频率fs关系曲线图拟合数据得即 y=6.9689810-5x+3.9258310-5，直线斜率为B=6.9689810-5理论上，x=nxk0l=2ln(x)vsfs若n(x)随位置的变化不大，那么应与超声波频率fs成正比拟合得到的曲线相关系数为0.99831，证明偏转角与超声波频率fs确实呈线性相关关系。则声速为 Vs=0fsn=0nB=65010-92.3866.9689810-11ms=3909.1m/s理论值为 vs=3632m/s，相对误差 =|vs-Vs|vs100%=|3632-3909.1|3632100%=7.6%，误差较大另一种计算声速的方法：以频率为80MHz为例演示计算过程L=6.50.304mm=2.0mm=2.0354.5=0.0056 vs=0fsn=65010-980.01062.3860.0056ms=3915.1 m/s平均值 vs=16i=18vsi=3885.6m/s标准误差 vs=18(8-1)i=18( vs-vs)2=13.4m/s超声波在介质中的声速为 vs=3885.6-+13.4m/s这与用拟合的方法得到的结果是相近的。4调出布喇格衍射下，固定超声波功率I=80mA，测量不同超声波频率下衍射光相对于零级衍射光的衍射效率，如表2表2不同超声波频率下衍射光相对于零级衍射光的衍射效率次序超声波频率fs/MHz1级衍射光/V0级衍射光/V衍射效率180.0 4.727.5062.93%283.05.667.0680.17%386.16.386.38100.00%489.06.405.36119.40%592.06.724.10163.90%695.06.663.08216.23%798.06.763.06220.92%8101.06.623.48190.23%9104.06.424.56140.79%10107.06.066.06100.00%11110.05.807.1481.23%12113.13.647.8046.67%1级衍射光相对于零级衍射光的相对强度与超声波频率的关系曲线如图2图2 1级衍射光相对于零级衍射光的相对强度与超声波频率的关系曲线可以看到随着超声波频率的增加，衍射效率逐渐提高，至f0=98.0MHz时达到最大值，然后超声波频率继续增加而衍射效率逐渐降低，图线的分布呈现对称的形状，说明衍射有个中心频率。带宽为衍射光强从极大值降到半功率所对应的频宽，相对应地衍射效率降至最大值的12。由表知衍射效率最大值为220.92%，其12为156.21%，对应于92.0MHz附近或104.0MHz附近，故声光器件的带宽为fs=104.0-92.0MHz=12.0MHz中心频率为 f0=98.0MHz ，此频率下衍射效率最大。仪器铭牌给出参考值为 f0=100.0MHz，误差为2%，说明测量结果还是比准确的。5测定布喇格衍射下的最大衍射效率。由表2知布喇格衍射下的最大衍射效率为220.92%。6布喇格衍射下，固定超声波频率为f0=98.0MHz，测出1级衍射光强度与超声波功率的关系，如表3和图3。表3 不同功率的1级衍射光强度次序功率/mA1级衍射光/V0级衍射光/V衍射效率130 0.900 8.3010.84%2402.22 8.1027.41%3504.20 7.7254.40%4605.84 7.0882.49%5706.72 5.84115.07%6806.64 2.88230.56%图3 不同功率下0级和1级衍射光的强度可以看到0级衍射光强度随着超声波功率的增加而降低，1级衍射光的强度随着超声波功率增加而增加。图4 1级衍射光相对于零级衍射光的相对强度与超声波功率的关系曲线可以看到，随着超声波功率的增加，1级衍射光的衍射效率也在增加。其中当功率I=40-70mA区间，衍射效率与功率之间的关系近似为线性。7喇曼-纳斯衍射（光束垂直入射）下，测量衍射角m，并与理论值比较，测量数据如表4表4 不同频率下的喇曼-纳斯衍射的衍射角频率/MHz衍射光级数t/ms对应格数实际距离L/mm衍射角m/rad理论值相对误差%82.0 -10.3521.722.610.00560.00628.24+10.3521.722.610.00560.00628.2490.1-10.3881.892.880.00620.00687.95+10.3861.882.860.00620.00688.4298.1-10.4262.083.160.00680.00747.18+10.4162.033.080.00670.00749.35106.0 -10.4582.243.390.00730.00807.64+10.4442.173.290.00710.008010.46110.0 -10.4702.293.480.00750.00838.67+10.4642.273.440.00740.00839.83示波器上5大格的时间间隔为T=1.024ms,对应格数=tT5，实际距离L=格数1.518mm，衍射角m=LL，其中 L=462.3mm理论值为 sinm*=0=0fsnvs , 其中 0=650nm，n=2.386，vs=3632m/s因为角度较小，故有 m*=0fsnvs 相对误差为 =m*-mm*100%由上表可见随着频率的升高，衍射角变大。测量值均比理论值偏小。可能的原因是：测量的距离L偏大，但是结果的相对误差达7.18%-10.46%,意味着距离L的相对误差也必须这么大，则误差达40多mm，这是不可能的；由理论值的计算公式可知，m*与vs成反比，有可能理论的声速偏小；因为偏转距离的计算涉及到定标，有可能在定标的环节出现误差。8在喇曼-纳斯衍射下，固定中心频率f0=98.0MHz，测定1级衍射光的衍射效率，如表5。与布喇格衍射下的最大衍射效率比较。表5 不同功率下1级衍射光的衍射效率衍射光级数01-1强度/V81.381.38衍射效率 R=21。388.00100%=34.67%而布喇格衍射的最大效率是220.92%。结论：由表可知BR，即布喇格衍射效率远大于喇曼-纳斯衍射效率，从理论上布喇格衍射效率可以达到100%，而喇曼-纳斯衍射最大衍射效率仅为34%，所以实用的声光器件一般都采用布喇格衍射。9完成声光模拟通信实验的仪器安装和调试；改变超声波功率，注意观察模拟通信接收器送出的音乐的变化，分析原因。实验现象记录如下：0级衍射光射入光电池时，与示波器上显示的光电信号相位相同;1级衍射光射入光电池时，与示波器上显示的光电信号相位相反。当音乐调高时，示波器光电信号越密集，音调越低越稀疏。示波器波形的振幅的大小随功率的增大而增大。接收器信号的频率与发送器的一致，随其的变化而变化。过程描述：模拟信号发送器将信号加载在由声光功率信号源产生的高频的声波中，经过调制后的的声波进入光栅后改变了光栅的折射率分布，激光器产生的激光射入光栅后发生干涉，又光电池盒接受干涉的激光，然后再传递到模拟通信接收器进行解调，得到原来的信号。原因：0级光与入射光同相，而1级衍射光与入射光反相。 当音乐调高时，信号的频率较高，激光经过调制后带着信号的信息，在、示波器上就看到密集的波形；反之，则看到稀疏的波形；功率越大，超声波的能量越大，对激光的调制也越大，振幅也越大；如过程所述，接收器是根据其输入