声光效应 物理实验报告

声光效应实验研究 介质中传播的超声波会造成介质的局部压缩和伸长 由 于弹性应变而使介质的折射率或介电常数发生改变 当光 通过介质时就会发生衍射现象 称之为声光效应声光效应 由于声 光效应 衍射光的强度 频率 方向等都随着超声波场而 变化 其中衍射光偏转角随超声波频率变化的现象称为声 光偏转 衍射光强度随超声波功率变化的现象称为声光调 制 早在 19 世纪 30 年代就开始了声光衍射的实验研究 60 年代激光器的问世为声光现象的研究提供了理想的光源 促进了声光效应理论和应用研究的迅速发展 声光效应为 控制激光束的频率 方向和强度提供了一个有效的手段 利用声光效应制成的声光器件 如声光调制器 声光偏转 器 和可调谐滤光器等 在激光技术 光信号处理和集成 光通讯技术等方面有着重要的应用 实验目的 1 了解声光相互作用的原理 2 了解喇曼 纳斯衍射和布喇格衍射的实验条件和特点 3 通过对声光器件衍射效率 中心频率和带宽的测量加 深对其概念的理解 4 测量声光偏转和声光调制曲线 实验仪器 SO2000 声光效应实验仪 实验原理 当超声波在介质中传播时 将引起介质的弹性应变作时 间和空间上的周期性的变化 并且导致介质的折射率也发 生相应变化 当光束通过有超声波的介质后就会产生衍射 现象 这就是声光效应 有超声波传播的介质如同一个相 位光栅 声光效应有正常声光效应和反常声光效应之分 在各项 同性介质中 声 光相互作用不导致入射光偏振状态的变 化 产生正常声光效应 在各项异性介质 中 声 光相互作用可能导致入射光偏振 状态的变化 产生反常声光效应 反常声 光效应是制造高性能声光偏转器和可调滤 波器的基础 正常声光效应可用喇曼 纳 斯的光栅假设作出解释 而反常声光效应 不能用光栅假设作出说明 在非线性光学 中 利用参量相互作用理论 可建立起声 光相互作用的统一理论 并且运用动量匹配和失配等概 念对正常和反常声光效应都可作出解释 本实验只涉及到 各项同性介质中的正常声光效应 设声光介质中的超声行波是沿y方向传播的平面纵波 其 角频率为 s 波长为 s波矢为ks 入射光为沿x方向传播的平 面波 其角频率为 在介质中的波长为 波矢为k 介质 内的弹性应变也以行波形式随声波一起传播 由于光速大 约是声速的105倍 在光波通过的时间内介质在空间上的周 期变化可看成是固定的 由于应变而引起的介质的折射率的变化由下式决定 ps n 1 2 式中 n为介质折射率 S为应变 P为光弹系数 通常 P和S为二阶张量 当声波在各项同性介质中传播时 P和S 可作为标量处理 如前所述 应变也以行波形式传播 所 以可写成 sin yktwss sso 当应变较小时 折射率作为y和t的函数可写作 sin 0 yktwnntyn ss 式中 n0为无超声波时的介质的折射率 n为声波折射 率变化的幅值 由 1 式可求出 0 3 2 1 psnn 设光束垂直入射 k ks 并通过厚度为L的介质 则前 后两点的相位差为 sin 00 yktwLtynk ss 式中 k0为入射光在真空中的波矢的大小 右边第一项 0为不存在超声波时光波在介质前后两点的相位差 第 二项为超声波引起的附加相位差 相位调制 k0 nL 可见 当平面光波入射在介质的前界面上时 超声波 使出射光波的波振面变为周期变化的皱折波面 从而改变 出射光的传播特性 使光产生衍射 设入射面上x L 2的光振动为Ei Aeit A为一常数 也可 以是复数 考虑到在出射面x L 2上各点相位的改变和调制 在xy平面内离出射面很远一点的衍射光叠加结果为 2 2 sin sin 0 b b yiktwykiiwt dyeeCeE ss 式中 b为光束宽度 为衍射角 C为与A有关的常数 为了简单可取为实数 分析可知与第m级衍射有关的项为 0 tmwwi m s eEE 2 sin 2 sin sin 0 0 0 kmkb kmkb CbJE s s m 因为函数sinx x在x 0取极大值 因此有衍射极大的方位 角 m由下式决定 s s m m k k m 0 0 sin 式中 0为真空中光的波长 s为介质中超声波的波长 与一般的光栅方程相比可知 超声波引起的有应变的介质 相当于一光栅常数为超声波长的光栅 由 7 式可知 第 m级衍射光的频率 m为 sm mwww 可见 衍射光仍然是单色光 但发生了频移 由于 s 这种频移是很小的 第m级衍射极大的强度Im可用 7 式模数平方表示 2 0 222 0 mmm JIJbCEEI 式中 E 0为E0的共轭复数 I0 C2b2 第m级衍射极大的衍射效率 m定义为第m级衍射光的强度 与入射光的强度之比 由 11 式可知 m正比于 J2m 当m为整数时 J m a 1 m Jm a 由 9 式和 11 式表明 各级衍射光相对于零级对称分布 当光束斜入射时 如果声光作用的距离满足L2 2s 而且光束相对于超 声波波面以某一角度斜入射时 在理想情况下除了0级之外 只出现唯一的衍射级 1级或 1级衍射 如图2所示 这种 衍射与晶体对X光的布喇格衍射很类似 故称为布喇格衍射 能产生这种衍射的光束入射角称为布喇格角 此时有超声 波存在的介质起体积光栅的作用 可以证明 布喇格角满足 s B i 2 sin 上式称为布拉格条件 实验仪器介绍实验仪器介绍 一套完整的SO2000声光效应实验仪配有 已安装在转角 平台上的100MHz声光器件 半导体激光器 100MHz功率 信号源 LM601CCD光强分布测量仪及光具座 1 声光器件 声光器件的结构示意如图3所示 它由声光介质 压电换 能器和吸声材料组成 本实验采用的声光器件中的声光介质为钼酸铅 吸声材 料的作用是吸收通过介质传播到端面的超声波以建立超声 行波 将介质的端面磨成斜面或成牛角状 也可达到吸声 的作用 压电换能器又称超声换能器 由妮酸锂晶体或其 它压电材料制成 它的作用是将电功率换成声功率 并在 声光介质中建立起超声场 压电换能器既是一个机械振动 系统 又是一个与功率信号源相联系的电振动系统 或者 说是功率信号源的负载 为了获得最佳的电声能量转换效 率 换能器的阻抗与信号源的内阻应当匹配 声光器件有 一个衍射效率最大的工作频率 此频率称为声光器件的中 心频率 记为fc 对于其它频率的超声波 其衍射效率将降 低 规定衍射效率 或衍射光的相对光强 下降3db 即衍 射效率降到最大值的12 时两频率间的间隔为声光器件的 带宽 声光器件安装在一个透明塑料盒内 置于转交平台上 盒上有一插座 用于和功率信号源的声光插座相连 透明 塑料盒两端各开一个小孔 激光分别从这两个小孔射入和 射出声光器件 不用时用贴纸封住以保护声光器件 旋转 转交平台的旋转手轮可以转动转交平台 从而改变激光射 入声光器件的角度 2 功率信号源 SO2000功率信号源专为声光效应实验配套 输出频率范 围为80 120MHz 最大输出功率为1W 3 CCD光强分布测量仪 其核心是线阵CCD器件 CCD器件是一种可以电扫描的光 电二级管列阵 有面阵 二维 和线阵 一维 之分 LM601 501CCD光强仪所用的是线阵CCD器件 机壳尺寸为 150mm 100mm 50mm CCD器件的光敏面至光强仪前面板距 离为4 5mm 4 USB100计算机数据采集盒 用USB接口与计算机相连 同时以DB15插座通过电缆线与 LM601 501CCD光强仪后面板上的DB9插座相连 采集盒上有 一个12位的A D转换器 也就是说可以把CCD器件上每一个 光敏单元上的光强信号分成4096个灰度等级 空间分辨率 与所使用CCD光强仪的型号有关 5 模拟通信收发器 模拟通信收发器由三件仪器组成 模拟通信发送器 模 拟通信接收器和光电池盒 6 半导体激光器 半导体激光器输出光强稳定 功率可调 寿命长 在后 面板上有一只调节激光强度的电位器 在盒顶和盒侧各有 一只做X Y方向微调的手轮 7 光具座 0 8m长 配三只马鞍座 其中一只可横向移动 一般用 于安置CCD光强仪或光电池盒用 SO2000的各部件的底端都 有螺口用以旋入直径为10mm的立杆 拧紧后插入各马鞍座 里 旋紧马鞍座的立杆旋钮 在将马鞍座置于光具座上 待各部件位置调好后 旋紧马鞍座侧面的旋钮即可完成固 定 8 频率计 采用VC2000智能频率计 量程为10Hz 2 4GHz 实验内容 1 开机预热10分钟 2 观察喇曼 纳斯衍射和布拉格衍射 比较两种衍射的 实验条件和特点 3 调出布喇格衍射 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 用微机测量衍射角 则只需在软件上直接读出X方向 上的距离 ch值 和光强度值 A D值 4 布拉格衍射下测量衍射光相当于入射光的偏转角 与 超声波频率 即电信号频率 fs的关系曲线 并计算声速 vs 测出6 8组 fs 值 在课堂上用计算器作直线 拟合求出 和fs的相关系数 课后做 和fs的关系曲线 注意式 13 和 14 中布拉格角iB和偏转角 都是指介 质内的角度 而直接测出的角度是空气中的角度 应进行 换算 声光器件n 2 386 由于声光器件的参数不可能达 到理论值 实验中布拉格衍射不是理想的 可能会出现高 级次衍射光等现象 调节布拉格衍射时 使1级衍射光最强 即可 实验次 数 0级 光与1级 光的偏转 格数 0级 光与1级 光的偏 转距离 L mm fs MHZ Vs 1 级光 高度 0 级光高 度 mm 1 0 0 7 00 4 9 9 34 2 00 0 0146 85 00 158 7 17 1 9 00 3 50 2 0 0 7 50 5 3 5 34 2 00 0 0156 90 00 156 8 49 1 9 00 7 00 3 0 0 7 90 5 6 3 34 2 00 0 0165 95 00 157 1 80 1 9 50 9 00 4 0 0 8 20 5 8 4 34 2 00 0 0171 100 00 159 4 00 1 2 10 4 00 5 0 0 8 80 6 2 7 34 2 00 0 0183