普通物理实验Ⅲ课程论文--声光效应实验探究

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1、普通物理实验Ⅲ课程论文题目　　声光效应实验研究学院专业年级学号姓名指导教师论文成绩____________________答辩成绩____________________2015年月日11声光效应实验研究摘要：由外力引起介质的弹性形变产生的光学效应，称为力学光学效应或弹光效应。当光波和声波同时在介质中传播时，会出现两种波的相互作用，这种相互作用通过声光介质耦合，这称为“声光衍射”或“声光作用”。声波引起的弹光效应加上声光作用合称为“声光效应”。本论文旨在加深对声光效应原理的理解，通过实验验证声光效应理论。并以布喇格衍射为研究主体，通过对声光器件0级和1级衍射光斑的距离和衍射光相对强

2、度的测量，绘制出声光偏转曲线和声光调制曲线,进而对相关物理量进行定性或定量的分析。关键词：声光衍射；偏转角；超声波功率；衍射效率引言声光效应是指光通过某个受到超声波扰动的介质时发生的衍射现象，这种现象是光波与介质中声波相互作用的结果。声光互作用的研究早在20世纪的30年代就已开始。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、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作用。1实验原理当晶体中有超声波通过时，会

3、改变晶体的光学性质，使它的折射率随之发生相应的周期性变化，形成随超声波强度变化的分布，整个晶体相当于一个相位光栅。该光栅间距（光栅常数）等于声波波长，会对入射激光产生衍射作用。其衍射光的强度、频率、方向等都随超声场的变化而变化，这就是声光效应。1.1声光效应的分类①声光效应有正常声光效应和反常声光效应之分。在各向同性介质中，声-光相互作用不导致入射光的偏振状态发生变化，产生正常声光效应。在各向异性介质中，声-光相互作用，可能导致入射光的偏振状态发生变化，产生反常声光效应。本实验只涉及各向同性介质的正常声光效应。11②按照声波频率的高低以及声波和光波作用长度的不同，声光效应可分为喇曼

4、-纳斯衍射和布喇格衍射两种类型。区分两种衍射类型的根据为(1)其中，L为声光相互作用长度，为介质中的光波长，为声波波长。一般地，当Q≤0.3时；发生喇曼-纳斯衍射；当Q≥4时，发生为布喇格衍射，而在0.3Q4的中间区域，衍射现象比较复杂。对于液体介质，一般声波长在10-4m量级，可见光波长在10-7m量级，声光相互作用的长度约几个厘米，可见其相应的Q≪0.3，因此液体介质中的声光相互作用为典型的喇曼-纳斯衍射类型。③若按照超声波的性质分，可以分为体波声光效应和表面波声光效应两类。这一部分在本文中不做具体论述。1.2应变与介质折射率的关系由于应变而引起的介质折射率的变化由下式决定(2

5、)该式中，P为材料的弹光系数；S表示超声波引起介质产生的应变。由式(1)，在应力作用下，介质折射率的变化可近似表示为(3)为无声波介质时的折射率。一个纵声波在声光介质中传播，介质只在纵声波传播方向受到压缩或伸长。设声波的角频率为，波长为，波矢为，则沿x方向传播的声波方程为(4)式中，a为介质质点的瞬间位移，A为质点位移的振幅。可近似认为，超声波所引起的应变正比于介质粒子沿x方向的位移的变化率(5)由式(3)得11(6)因此，介质的折射率为(7)由式(7)可知，当纵声波在介质传播时，介质折射率随空间位置和时间呈周期性变化，此时介质可视为一运动的声光栅，它以声速移动。因为声速仅为光速的

6、十万分之一，所以对入射光波来说，运动的声光栅可以认为是静止的，不随时间变化。1.3两种声光衍射下图为两种常见的声光衍射类型，同时，本实验将重点放在布喇格衍射上。A喇曼-纳斯衍射B布喇格衍射(+1级和-1级)图1两种声光衍射的比较Figure1ComparisonofTwoKindsofAcoustic-opticalDiffraction1.3.1喇曼－纳斯衍射产生喇曼-纳斯衍射的条件：当超声波频率较低，光波平行于声波面入射（即垂直于声场传播方向），声光相互作用L较短时，在光波通过介质的时间内，折射率变化可以忽略不计，则声光介质可近似看作相对静止的“平面相位栅”。由于声速比光速小得

7、多，故时光介质可视为一个静止的平面相位光栅。而且声波波长比光波长大得多，当光波平行通过介质时，几乎不通过声波面，因此只受到相位调制，即通过光密（折射率大）的部分的光波波阵面将推迟，而通过光疏（折射率小）部分的光波波阵面将超前，于是通过声光介质的平面波波阵面出现凹凸现象，变成一个折皱曲面。由出射波阵面上各子波源发出的次波将发生相干作用，形成与入射方向对称11分布的多级衍射光，这就是喇曼-纳斯衍射。根据光栅衍射原理，可知各级衍射波极大的方位角满足条件(8)式中，i为入射光