聲光效應(yīng) 物理實(shí)驗(yàn)報(bào)告

聲光效應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究 介質(zhì)中傳播的超聲波會(huì)造成介質(zhì)的局部壓縮和伸長(zhǎng)。由于彈性應(yīng)變而使介質(zhì)的折射率或介電常數(shù)發(fā)生改變，當(dāng)光通過(guò)介質(zhì)時(shí)就會(huì)發(fā)生衍射現(xiàn)象，稱之為聲光效應(yīng)。由于聲光效應(yīng),衍射光的強(qiáng)度、頻率、方向等都隨著超聲波場(chǎng)而變化。其中衍射光偏轉(zhuǎn)角隨超聲波頻率變化的現(xiàn)象稱為聲光偏轉(zhuǎn)；衍射光強(qiáng)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(jì)30年代就開(kāi)始了聲光衍射的實(shí)驗(yàn)研究。60年代激光器的問(wèn)世為聲光現(xiàn)象的研究提供了理想的光源，促進(jìn)了聲光效應(yīng)理論和應(yīng)用研究的迅速發(fā)展。聲光效應(yīng)為控制激光束的頻率、方向和強(qiáng)度提供了一個(gè)有效的手段。利用聲光效應(yīng)制成的聲光器件，如聲光調(diào)制器、聲光偏轉(zhuǎn)器、和可調(diào)諧濾光器等，在激光技術(shù)、光信號(hào)處理和集成光通訊技術(shù)等方面有著重要的應(yīng)用。 【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹? 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(shí)驗(yàn)條件和特點(diǎn)。 3 ?通過(guò)對(duì)聲光器件衍射效率、中心頻率和帶寬的測(cè)量加深對(duì)其概念的理解 4 ?測(cè)量聲光偏轉(zhuǎn)和聲光調(diào)制曲線。 【實(shí)驗(yàn)儀器】 SO2000聲光效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀 【實(shí)驗(yàn)原理】 當(dāng)超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，將引起介質(zhì)的彈性應(yīng)變作時(shí)間和空間上的周期性的變化，并且導(dǎo)致介質(zhì)的折射率也發(fā)生相應(yīng)變化。當(dāng)光束通過(guò)有超聲波的介質(zhì)后就會(huì)產(chǎn)生衍射現(xiàn)象，這就是聲光效應(yīng)。有超聲波傳播的介質(zhì)如同一個(gè)相位光柵。 聲光效應(yīng)有正常聲光效應(yīng)和反常聲光效應(yīng)之分。在各項(xiàng)同性介質(zhì)中，聲一光相互作用不導(dǎo)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(yùn)用動(dòng)量匹配和失配等概念對(duì)正常和反常聲光效應(yīng)都可作出解釋。本實(shí)驗(yàn)只涉及到各項(xiàng)同性介質(zhì)中的正常聲光效應(yīng)。 設(shè)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(zhǎng)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(zhǎng)為2,波矢為肌介質(zhì)內(nèi)的彈性應(yīng)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(guò)的時(shí)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(yīng)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(yīng)變，P為光彈系數(shù)。通常，P和S為二階張量。當(dāng)聲波在各項(xiàng)同性介質(zhì)中傳播時(shí)，P和S可作為標(biāo)量處理，如前所述，應(yīng)變也以行波形式傳播，所以可寫(xiě)成s二s*sin(wt—ky)oss 當(dāng)應(yīng)變較小時(shí)，折射率作為y和t的函數(shù)可寫(xiě)作n(y,t)二n+Ansin(wt—ky)0ss 式中，n為無(wú)超聲波時(shí)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(shè)光束垂直入射Cfc丄上)并通過(guò)厚度為L(zhǎng)的介質(zhì)，則前后s 兩點(diǎn)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(xiàng)△0①為不存在超聲波時(shí)光波在介質(zhì)前后兩點(diǎn)的相位差，第二項(xiàng)0為超聲波引起的附加相位差(相位調(diào)制)，EkAnL?？? 0見(jiàn)，當(dāng)平面光波入射在介質(zhì)的前界面上時(shí)，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(shè)入射面上x(chóng)=-L/2的光振動(dòng)為E=Aelt，A為一常數(shù)，也可i以是復(fù)數(shù)。考慮到在出射面x=L/2上各點(diǎn)相位的改變和調(diào)制,在xy平面內(nèi)離出射面很遠(yuǎn)一點(diǎn)的衍射光疊加結(jié)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(guān)的常數(shù),為了簡(jiǎn)單可取為實(shí)數(shù)。分析可知與第m級(jí)衍射有關(guān)的項(xiàng)為E=Eei(w-mwf)m0■s E=CbJ（沏血[b（mk-ko血0）/2] 0mb（mk一ksin0）/2 o 因?yàn)楹瘮?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(zhǎng)，久為介質(zhì)中超聲波的波長(zhǎng)。 0s與一般的光柵方程相比可知，超聲波引起的有應(yīng)變的介質(zhì)相當(dāng)于一光柵常數(shù)為超聲波長(zhǎng)的光柵。由（7）式可知，第m級(jí)衍射光的頻率e為m 可見(jiàn)，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(jí)衍射極大的強(qiáng)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的共軛復(fù)數(shù)，I=C2b2000 第m級(jí)衍射極大的衍射效率“定義為第m級(jí)衍射光的強(qiáng)度m 與入射光的強(qiáng)度之比。由（11）式可知，n正比于J2（沁）。 mm當(dāng)m為整數(shù)時(shí)，J（a）=（-1）mJ（a）。由（9）式和（11）-mm式表明，各級(jí)衍射光相對(duì)于零級(jí)對(duì)稱分布。 當(dāng)光束斜入射時(shí)，如果聲光作用的距離滿足L<”/22，則s各級(jí)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(dāng)于一個(gè)入射光子連續(xù)同幾個(gè)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 H1也 11 + 一N X -^7 當(dāng)聲光作用的距離滿足L>2A2久而且光束相對(duì)于超聲s 波波面以某一角度斜入射時(shí)，在理想情況下除了0級(jí)之外，只出現(xiàn)唯一的衍射級(jí)，+1級(jí)或-1級(jí)衍射。如圖2所示。這種衍射與晶體對(duì)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(shí)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(shí)驗(yàn)儀器介紹 一套完整的SO2000聲光效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀配有：已安裝在轉(zhuǎn)角平臺(tái)上的100MHz聲光器件、半導(dǎo)體激光器、100MHz功率信號(hào)源、LM601CCD光強(qiáng)分布測(cè)量?jī)x及光具座。 1?聲光器件 聲光器件的結(jié)構(gòu)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(shí)驗(yàn)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(guò)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(dá)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(chǎng)。壓電換能器既是一個(gè)機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)，又是一個(gè)與功率信號(hào)源相聯(lián)系的電振動(dòng)系統(tǒng)，或者說(shuō)是功率信號(hào)源的負(fù)載。為了獲得最佳的電聲能量轉(zhuǎn)換效率，換能器的阻抗與信號(hào)源的內(nèi)阻應(yīng)當(dāng)匹配。聲光器件有一個(gè)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(duì)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(duì)光強(qiáng)）下降3db（即衍射效率降到最大值的12）時(shí)兩頻率間的間隔為聲光器件的帶寬。 聲光器件安裝在一個(gè)透明塑料盒內(nèi)，置于轉(zhuǎn)交平臺(tái)上。盒上有一插座，用于和功率信號(hào)源的聲光插座相連。透明塑料盒兩端各開(kāi)一個(gè)小孔，激光分別從這兩個(gè)小孔射入和射出聲光器件，不用時(shí)用貼紙封住以保護(hù)聲光器件。旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)交平臺(tái)的旋轉(zhuǎn)手輪可以轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)交平臺(tái)，從而改變激光射入聲光器件的角度。 2?功率信號(hào)源 SO2000功率信號(hào)源專為聲光效應(yīng)實(shí)驗(yàn)配套，輸出頻率范圍為80~120MHz，最大輸出功率為1W。 3. CCD光強(qiáng)分布測(cè)量?jī)x： 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(jí)管列陣，有面陣（二維）和線陣（一維）之分。LM601/501CCD光強(qiáng)儀所用的是線陣CCD器件，機(jī)殼尺寸為150mmX100mmX50mm,CCD器件的光敏面至光強(qiáng)儀前面板距離為4.5mm。 4. USB100計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集盒： 用USB接口與計(jì)算機(jī)相連，同時(shí)以DB15插座通過(guò)電纜線與LM601/501CCD光強(qiáng)儀后面板上的DB9插座相連。采集盒上有一個(gè)12位的A/D轉(zhuǎn)換器，也就是說(shuō)可以把CCD器件上每一個(gè)光敏單元上的光強(qiáng)信號(hào)分成4096個(gè)灰度等級(jí)?？臻g分辨率與所使用CCD光強(qiáng)儀的型號(hào)有關(guān)。 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(dǎo)體激光器 半導(dǎo)體激光器輸出光強(qiáng)穩(wěn)定，功率可調(diào)，壽命長(zhǎng)。在后面板上有一只調(diào)節(jié)激光強(qiáng)度的電位器，在盒頂和盒側(cè)各有一只做X-Y方向微調(diào)的手輪。 7 ?光具座 0.8m長(zhǎng)，配三只馬鞍座，其中一只可橫向移動(dòng)，一般用于安置CCD光強(qiáng)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(cè)面的旋鈕即可完成固定。 8 ?頻率計(jì) 采用VC2000智能頻率計(jì)，量程為10Hz~2?4GHz。 【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容】 1. 開(kāi)機(jī)預(yù)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(shí)驗(yàn)條件和特點(diǎn)；調(diào)出布喇格衍射，用示波器測(cè)量衍射角，先要解決“定標(biāo)”的問(wèn)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(jī)測(cè)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(qiáng)度值（A/D值）。 3. 布拉格衍射下測(cè)量衍射光相當(dāng)于入射光的偏轉(zhuǎn)角①與超聲波頻率（即電信號(hào)頻率）fs的關(guān)系曲線，并計(jì)算聲速VS。測(cè)出6—8組（e,fs）值，在課堂上用計(jì)算器作直線擬合求出e和fs的相關(guān)系數(shù)。課后做e和fs的關(guān)系曲線。注意式 （13）和（14）中布拉格角iB和偏轉(zhuǎn)角e都是指介質(zhì)內(nèi)的角度，而直接測(cè)出的角度是空氣中的角度，應(yīng)進(jìn)行換算，聲光器件n=2.386。由于聲光器件的參數(shù)不可能達(dá)到理論值，實(shí)驗(yàn)中布拉格衍射不是理想的，可能會(huì)出現(xiàn)高級(jí)次衍射光等現(xiàn)象。調(diào)節(jié)布拉格衍射時(shí)，使1級(jí)衍射光最強(qiáng)即可。 0級(jí) 1 0 0級(jí) 光與1級(jí) 實(shí)驗(yàn)次 光與1級(jí) 光的偏 L( fs( Vs 級(jí)光 級(jí)光高 數(shù) 光的偏轉(zhuǎn) 轉(zhuǎn)距離 mm) MHZ) 咼度 度 格數(shù) (mm) 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 0171 .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(guān)系 y=0.0002x-0.0008 ?衍射角與超聲頻率的關(guān)系 一線性（衍射角與超聲頻率的關(guān)系） 11 1500.020.015®0.01%.0050 注意事項(xiàng) 1. 實(shí)驗(yàn)儀器嬌貴，調(diào)節(jié)過(guò)程中不可操之過(guò)急，應(yīng)耐心認(rèn)真調(diào)節(jié)。聲光器件尤為貴重，注意保護(hù)。 2. 不能將功率信號(hào)源的輸出功率長(zhǎng)時(shí)間處于最大輸出功率狀態(tài)，以免燒壞。 3. 在觀察和測(cè)量以前，應(yīng)將整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)調(diào)至共軸。 4. 實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，應(yīng)先關(guān)閉各儀器電源，再關(guān)閉總電源，以免損壞儀器。