声光效应实验.doc

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1、声光效应实验一、实验目的1．理解声光效应的原理，了解Ramam－Nath衍射和Bragg衍射的分别。2．测量声光器件的衍射效率和带宽等参数，加深对概念的理解。3．测量声光偏转的声光调制曲线。4．模拟激光通讯。二、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，有各向同性介质中声纵波的情况，折射率n和

2、光弹系数P都可以看作常量，得其中应变表示在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1的情况，压电换能器将驱动信号转换成声信号，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

3、，犹如光栅一般，故称为位相光栅。这就是得广播阵面由原先的平面变为周期性的位相绉折，这就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。(一)声光光偏转和光平移从量子力学的观点考虑光偏转和光频移问题十分方便。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

4、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。声光效应可划分为正常声光效应和反常声光效应两种。1、入射光和衍射光处于相同的偏振状态，相应的折射率相同，成为正常声光效应。2、入射光处于某种偏振状态，经声光作用，衍射光的偏振状态变为另一种偏振台。成为反常声光效应。这里主要介绍正常声光效应。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，λ相

5、当于介质中X光波长，Λ相当于晶格常数，所以人们沿用这一名称，成为Bragg条件。满足Bragg条件是，只有唯一的衍射级，上移或下移，但不用时存在。注意到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。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Raman-Nath衍射是多级衍射。从

6、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。一、实验装置图图4声光效应实验装置图图5声光模拟通信实验装置图二、实验内容1.认真阅读声光效应仪的说明书，正确连接各

7、个部件。调节激光器和声光晶体至布拉格衍射最佳位置。时间：2012/11/814:30-14:45实验记录：a)将CCD光电盒同步接口接到示波器外触发接口，输出接口接到示波器CH1通道接口；a)将声光功率信号源输出口接到声光晶体，测频接口与频率计相连；b)打开激光器电源，进行光路调节，调节CCD，声光晶体，激光器等高；使声光晶体与CCD距离尽量远；使激光从声光晶体盒子前孔进入，后孔射出，并最终射入CCD光电盒子接收口。c)打开声光功率信号源电源，输出超声波至声光晶体。适当增大激光器功率，使光斑清晰可见，

8、在CCD与声光晶体间放置一纸板，观察衍射图样。调节转角平台至从纸板上观察到最亮的1级亮斑（+1或—1）。d)降低激光器功率，打开各仪器电源，关闭声光信号源输出，调节示波器与激光功率，在屏幕中得到完整的，清晰的单峰。打开声光信号源输出，单峰变为两个峰。稍微调节转动平台，使1级对应的峰达到最大。1.调出布拉格衍射，对示波器定标。时间：2012/11/815:15-15:24实验记录：a)在环境光较强的情况系，示波器上可以观察到，在CCD两次信号之间有缺口，选