聲光效應 物理實驗報告

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1、聲光效應實驗研究 介質(zhì)中傳播的超聲波會造成介質(zhì)的局部壓縮和伸長。由于彈性應變而使介質(zhì)的折射率或介電常數(shù)發(fā)生改變，當光通過介質(zhì)時就會發(fā)生衍射現(xiàn)象，稱之為聲光效應。由于聲光效應,衍射光的強度、頻率、方向等都隨著超聲波場而變化。其中衍射光偏轉角隨超聲波頻率變化的現(xiàn)象稱為聲光偏轉；衍射光強度隨超聲波功率變化的現(xiàn)象稱為聲光調(diào)制。 早在19世紀30年代就開始了聲光衍射的實驗研究。60年代激光器的問世為聲光現(xiàn)象的研究提供了理想的光源，促進了聲光效應理論和應用研究的迅速發(fā)展。聲光效應為控制激光束的頻率、方向和強度提供了一個有效的手段。利用聲光效應制成的聲光器件，如聲光調(diào)制器、聲光偏轉器、和可調(diào)諧濾光器等，

2、在激光技術、光信號處理和集成光通訊技術等方面有著重要的應用。 【實驗目的】 1?了解聲光相互作用的原理。 2.了解喇曼一納斯衍射和布喇格衍射的實驗條件和特點。 3 ?通過對聲光器件衍射效率、中心頻率和帶寬的測量加深對其概念的理解 4 ?測量聲光偏轉和聲光調(diào)制曲線。 【實驗儀器】 SO2000聲光效應實驗儀 【實驗原理】 當超聲波在介質(zhì)中傳播時，將引起介質(zhì)的彈性應變作時間和空間上的周期性的變化，并且導致介質(zhì)的折射率也發(fā)生相應變化。當光束通過有超聲波的介質(zhì)后就會產(chǎn)生衍射現(xiàn)象，這就是聲光效應。有超聲波傳播的介質(zhì)如同一個相位光柵。 聲光效應有正常聲光效應和反常聲光效應之分。在各項同

3、性介質(zhì)中，聲一光相互作用不導致入射光偏振狀態(tài)的變化，互作用理論，可建立起聲一光相互作用的統(tǒng) 一理論，并且運用動量匹配和失配等概念對正常和反常聲光效應都可作出解釋。本實驗只涉及到各項同性介質(zhì)中的正常聲光效應。 設聲光介質(zhì)中的超聲行波是沿y方向傳播的平面縱波，其角頻率為3，波長為久波矢為氐。入射光為沿x方向傳播的平sss面波，其角頻率為3,在介質(zhì)中的波長為2,波矢為肌介質(zhì)內(nèi)的彈性應變也以行波形式隨聲波一起傳播。由于光速大約是聲速的105倍，在光波通過的時間內(nèi)介質(zhì)在空間上的周期變化可看成是固定的。 由于應變而引起的介質(zhì)的折射率的變化由下式?jīng)Q定 AG1)psn2 式中，n為介質(zhì)折射率，S為應

4、變，P為光彈系數(shù)。通常，P和S為二階張量。當聲波在各項同性介質(zhì)中傳播時，P和S可作為標量處理，如前所述，應變也以行波形式傳播，所以可寫成s二s*sin(wt—ky)oss 當應變較小時，折射率作為y和t的函數(shù)可寫作n(y,t)二n+Ansin(wt—ky)0ss 式中，n為無超聲波時的介質(zhì)的折射率，△n為聲波折射0率變化的幅值，由(1)式可求出An二-1n3ps2o 設光束垂直入射Cfc丄上)并通過厚度為L的介質(zhì)，則前后s 兩點的相位差為A①=kn(y,t)L=A①+&①sin(wt一ky)00ss式中，k為入射光在真空中的波矢的大小，右邊第一項△0①為不存在超聲波時光波在介質(zhì)前后兩點

5、的相位差，第二項0為超聲波引起的附加相位差(相位調(diào)制)，EkAnL?？? 0見，當平面光波入射在介質(zhì)的前界面上時，超聲波使出射光波的波振面變?yōu)橹芷谧兓陌櫿鄄?，從而改變出射光的傳播特性，使光產(chǎn)生衍射。 設入射面上x=-L/2的光振動為E=Aelt，A為一常數(shù)，也可i以是復數(shù)?？紤]到在出射面x=L/2上各點相位的改變和調(diào)制,在xy平面內(nèi)離出射面很遠一點的衍射光疊加結果為b E=Ceiwtf2ei§①sin(k$y-w$t)e-ik0ysin0dy-b2 式中，b為光束寬度，0為衍射角，C為與A有關的常數(shù),為了簡單可取為實數(shù)。分析可知與第m級衍射有關的項為E=Eei(w-mwf)m0■s

6、 E=CbJ（沏血[b（mk-ko血0）/2] 0mb（mk一ksin0）/2 o 因為函數(shù)$加兀/￥在兀=0取極大值，因此有衍射極大的方位角0由下式?jīng)Q定: m-0ksin0=ml=mk0 式中，久為真空中光的波長，久為介質(zhì)中超聲波的波長。 0s與一般的光柵方程相比可知，超聲波引起的有應變的介質(zhì)相當于一光柵常數(shù)為超聲波長的光柵。由（7）式可知，第m級衍射光的頻率e為m 可見，衍射光仍然是單色光，但發(fā)生了頻移。由于心〉?，這種頻移是很小的。 第m級衍射極大的強度I可用（7）式模數(shù)平方表示： m I=EE*二C2b2J2（60）二IJ2@①） m0m0m 式中，E*為E的共

7、軛復數(shù)，I=C2b2000 第m級衍射極大的衍射效率“定義為第m級衍射光的強度m 與入射光的強度之比。由（11）式可知，n正比于J2（沁）。 mm當m為整數(shù)時，J（a）=（-1）mJ（a）。由（9）式和（11）-mm式表明，各級衍射光相對于零級對稱分布。 當光束斜入射時，如果聲光作用的距離滿足L<”/22，則s各級衍射極大的方位角0由下式?jīng)Q定msin0=sinm 式中i為入射光波矢k與超聲波波面的夾角。上述的超聲衍射稱為喇曼一納斯衍射，相當于一個入射光子連續(xù)同幾個聲子相互作用的情形，因此喇曼一納斯衍射是多極衍射。有超聲波存在的介質(zhì)起一平面位光柵的作用。 1 r

8、 H1也 11 + 一N X -^7 當聲光作用的距離滿足L>2A2久而且光束相對于超聲s 波波面以某一角度斜入射時，在理想情況下除了0級之外，只出現(xiàn)唯一的衍射級，+1級或-1級衍射。如圖2所示。這種衍射與晶體對X光的布喇格衍射很類似，故稱為布喇格衍射。能產(chǎn)生這種衍射的光束入射角稱為布喇格角。此時有超聲波存在的介質(zhì)起體積光柵的作用。 可以證明，布喇格角滿足 上式稱為布拉格條件。 sini B s 實驗儀器介紹 一套完整的SO2000聲光效應實

9、驗儀配有：已安裝在轉角平臺上的100MHz聲光器件、半導體激光器、100MHz功率信號源、LM601CCD光強分布測量儀及光具座。 1?聲光器件 聲光器件的結構示意如圖3所示。它由聲光介質(zhì)、壓電換能器和吸聲材料組成。 本實驗采用的聲光器件中的聲光介質(zhì)為鉬酸鉛，吸聲材料的作用是吸收通過介質(zhì)傳播到端面的超聲波以建立超聲行波。將介質(zhì)的端面磨成斜面或成牛角狀，也可達到吸聲的作用。壓電換能器又稱超聲換能器，由妮酸鋰晶體或其它壓電材料制成。它的作用是將電功率換成聲功率，并在聲光介質(zhì)中建立起超聲場。壓電換能器既是一個機械振動系統(tǒng)，又是一個與功率信號源相聯(lián)系的電振動系統(tǒng)，或者說是功率信號源的負載。為了獲

10、得最佳的電聲能量轉換效率，換能器的阻抗與信號源的內(nèi)阻應當匹配。聲光器件有一個衍射效率最大的工作頻率，此頻率稱為聲光器件的中心頻率，記為f。對c于其它頻率的超聲波，其衍射效率將降低。規(guī)定衍射效率（或衍射光的相對光強）下降3db（即衍射效率降到最大值的12）時兩頻率間的間隔為聲光器件的帶寬。 聲光器件安裝在一個透明塑料盒內(nèi)，置于轉交平臺上。盒上有一插座，用于和功率信號源的聲光插座相連。透明塑料盒兩端各開一個小孔，激光分別從這兩個小孔射入和射出聲光器件，不用時用貼紙封住以保護聲光器件。旋轉轉交平臺的旋轉手輪可以轉動轉交平臺，從而改變激光射入聲光器件的角度。 2?功率信號源 SO2000功率信號

11、源專為聲光效應實驗配套，輸出頻率范圍為80~120MHz，最大輸出功率為1W。 3. CCD光強分布測量儀： 其核心是線陣CCD器件。CCD器件是一種可以電掃描的光電二級管列陣，有面陣（二維）和線陣（一維）之分。LM601/501CCD光強儀所用的是線陣CCD器件，機殼尺寸為150mmX100mmX50mm,CCD器件的光敏面至光強儀前面板距離為4.5mm。 4. USB100計算機數(shù)據(jù)采集盒： 用USB接口與計算機相連，同時以DB15插座通過電纜線與LM601/501CCD光強儀后面板上的DB9插座相連。采集盒上有一個12位的A/D轉換器，也就是說可以把CCD器件上每一個光敏單元上的

12、光強信號分成4096個灰度等級。空間分辨率與所使用CCD光強儀的型號有關。 5 ?模擬通信收發(fā)器 模擬通信收發(fā)器由三件儀器組成：模擬通信發(fā)送器、模擬通信接收器和光電池盒。 6 ?半導體激光器 半導體激光器輸出光強穩(wěn)定，功率可調(diào)，壽命長。在后面板上有一只調(diào)節(jié)激光強度的電位器，在盒頂和盒側各有一只做X-Y方向微調(diào)的手輪。 7 ?光具座 0.8m長，配三只馬鞍座，其中一只可橫向移動，一般用于安置CCD光強儀或光電池盒用。SO2000的各部件的底端都有螺口用以旋入直徑為10mm的立桿，擰緊后插入各馬鞍座里，旋緊馬鞍座的立桿旋鈕，在將馬鞍座置于光具座上，待各部件位置調(diào)好后，旋緊馬鞍座側面的旋

13、鈕即可完成固定。 8 ?頻率計 采用VC2000智能頻率計，量程為10Hz~2?4GHz。 【實驗內(nèi)容】 1. 開機預熱10分鐘； 2. 觀察喇曼一納斯衍射和布拉格衍射，比較兩種衍射的實驗條件和特點；調(diào)出布喇格衍射，用示波器測量衍射角，先要解決“定標”的問題，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方向上的多少距離。用微機測量衍射角，則只需在軟件上直接讀出X方向上的距離（ch值）和光強度值（A/D值）。 3. 布拉格衍射下測量衍射光相當于入射光的偏轉角①與超聲波頻率（即電信號頻率）fs的關系曲線，并計算聲速VS。測出6—8組（e,fs）值

14、，在課堂上用計算器作直線擬合求出e和fs的相關系數(shù)。課后做e和fs的關系曲線。注意式 （13）和（14）中布拉格角iB和偏轉角e都是指介質(zhì)內(nèi)的角度，而直接測出的角度是空氣中的角度，應進行換算，聲光器件n=2.386。由于聲光器件的參數(shù)不可能達到理論值，實驗中布拉格衍射不是理想的，可能會出現(xiàn)高級次衍射光等現(xiàn)象。調(diào)節(jié)布拉格衍射時，使1級衍射光最強即可。 0級 1 0 0級 光與1級 實驗次 光與1級 光的偏 L( fs( Vs 級光 級光高 數(shù) 光的偏轉 轉距離 mm) MHZ) 咼度 度 格數(shù) (mm)

15、1.0 7.00 4.9 34 0. 85. 158 1 3. 0 9 2.00 0146 00 7.17 9.00 50 2.0 7.50 5.3 34 0. 90. 156 1 7. 0 5 2.00 0156 00 &49 9.00 00 3.0 7.90 5.6 34 0. 95. 157 1 9. 0 3 2.00 0165 00 1.80 9.50 00 4.0 8.20 5.8 34 0. 100 159 1 4. 0 4 2.00 017

16、1 .00 4.00 2.10 00 5.006.00 6.2340. 105 155 6 1. .00 9.58 .40 80 110 156 4 0. .00 2.81 .00 90 0 5軀聲頻率（.HzT 72.000183 6.5340. 9.2062.000192衍射角與超聲頻率的關系 y=0.0002x-0.0008 ?衍射角與超聲頻率的關系 一線性（衍射角與超聲頻率的關系） 11 1500.020.015?0.01%.0050 注意事項 1. 實驗儀器嬌貴，調(diào)節(jié)過程中不可操之過急，應耐心認真調(diào)節(jié)。聲光器件尤為貴重，注意保護。 2. 不能將功率信號源的輸出功率長時間處于最大輸出功率狀態(tài)，以免燒壞。 3. 在觀察和測量以前，應將整個光學系統(tǒng)調(diào)至共軸。 4. 實驗結束后，應先關閉各儀器電源，再關閉總電源，以免損壞儀器。