實(shí)驗(yàn)一 聲光效應(yīng)實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)聲光效應(yīng)實(shí)驗(yàn)【學(xué)史背景】聲光效應(yīng)是指光通過某一受到超聲波擾動(dòng)的介質(zhì)時(shí)發(fā)生衍射的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象是光波與介質(zhì)中聲波相互作用的結(jié)果。早在本世紀(jì)30年代就開始了聲光衍射的實(shí)驗(yàn)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(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?！緦?shí)驗(yàn)?zāi)康摹?．掌握聲光效應(yīng)的原理和實(shí)驗(yàn)規(guī)律；2．了解喇曼－納斯衍射和布喇格衍射的實(shí)驗(yàn)條件和特點(diǎn)；3．測(cè)量不同激光（紅光、藍(lán)光、綠光）和紅外線通過聲光晶體發(fā)生布拉格衍射后的衍射角?！緦?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，并說明。在非線性光學(xué)中，利用參量相互作用理論，可建立起聲－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w,波長(zhǎng)為九波矢ss為k。入射光為沿x方向傳播的平面波，其角頻率為w，在介質(zhì)中的波長(zhǎng)為九，波矢為k。s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1A()PS (1)n2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，所以可寫成S二Ssin(wt—ky) (2)0ss當(dāng)應(yīng)變較小時(shí)，折射率作為y和t的函數(shù)可寫作n(y,t)二n+Ansin(wt—ky) (3)0ss式中，n為無超聲波時(shí)的介質(zhì)的折射率，An為聲波折射率變化的幅值，由(1)式可求出01An=——n3PS20設(shè)光束垂直入射(k丄k)并通過厚度為L(zhǎng)的介質(zhì)，則前后兩點(diǎn)的相位差為sA①二kn(y,t)L0 (4)=knL+kAnLsin(wt—ky)000ss

=AO+50sin(wt—ky)

0ss式中，k為入射光在真空中的波矢的大小，右邊第一項(xiàng)AO為不存在超聲波時(shí)光波在介質(zhì)00前后兩點(diǎn)的相位差，第二項(xiàng)為超聲波引起的附加相位差(相位調(diào)制)，5①二kAnL?？梢姡?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二-L的光振動(dòng)為E=Aeit，A為一常數(shù)，也可以是復(fù)數(shù)。考慮到在出射2iL面x二-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

E*aJ2ei[(wt-k0n(y,t)_k0ysin0]dyb-2寫成等式時(shí)，bE=CeiwtJ2ei§①Sin(ky-wt)0—%ysin0dy (5)b-2式中，b為光束寬度，9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)。利用一與貝塞耳函數(shù)有關(guān)的恒等式eiasin9=￡J(a)eim9

mm=—g式中J(a)為(第一類)m階貝塞耳函數(shù)，將(5)式展開并積分得m亠 .( 、*sin[b(mk-k0sinA)/2]6)E=Cb￡J(5O)ez(w-mws)tb(mks-k0Oin9)/26)m=s上式中與第m級(jí)衍射有關(guān)的項(xiàng)為E=EeiE=Eei(w-mwg)tm0sin[b(mk一ksin9)/2](b①) s0b(mk一ksin9)/2s0E=CbJ0m7)8)因?yàn)楹瘮?shù)sinx/x在x=0取極大值，因此有衍射極大的方位角9由下式?jīng)Q定：m?9k 九sin9=m~=m^omk 尢0s式中，九為真空中光的波長(zhǎng)，九為介質(zhì)中超聲波的波長(zhǎng)。與一般的光柵方程相比可知，超0s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w為mw=w-mw (10)ms可見，衍射光仍然是單色光，但發(fā)生了頻移。由于w口w，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；mI=EE*=C2b2J2(b①)m00m (11)=IJ2(80)0m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耳定義為第m級(jí)衍射光的強(qiáng)度與入射光的強(qiáng)度之比。由m(11)式可知，n正比于J2(80)。當(dāng)m為整數(shù)時(shí)，J(a)=(-l)mJ(a)。由(9)式和

m m -m m(11)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LV九2/2九，則各級(jí)衍射極大的方位角9sm由下式?jīng)Q定

sin9sin9m..九=smi+s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，有超聲波存在的介質(zhì)起一平面位光柵的作用。當(dāng)聲光作用的距離滿足L>22/九，而且光束相對(duì)于超聲波波面以某一角度斜入射時(shí),s在理想情況下除了0級(jí)之外，只出現(xiàn)1級(jí)或一1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?？梢宰C明，布喇格角滿足圖2布拉格衍射siniB圖2布拉格衍射siniB13)式中（13）稱為布喇格條件。s因?yàn)椴祭且话愣己苄?，故衍射光相?duì)于入射光的偏轉(zhuǎn)角O=2iO=2iB匚亠f九nvs14)ss式中，v為超聲波的波速，f為超聲波的頻率，其它量的意義同前。在布喇格衍射條件下，s一級(jí)衍射光的效率為15).「兀fMLP

耳=sin2[ 2s15)M2H0式中，〈為超聲波功率，L和H為超聲換能器的長(zhǎng)和寬，M2為反映聲光介質(zhì)本身性質(zhì)的常數(shù)，M2=n6p2/P說，p為介質(zhì)密度，p為光彈系數(shù)。在布喇格衍射下’衍射光的效率也由（10）式?jīng)Q定。理論上布喇格衍射的衍射效率可達(dá)100％，喇曼－納斯衍射中一級(jí)衍射光的最大衍射效率僅為34％，所以使用的聲光器件一般都采用布喇格衍射。由（14）式和（15）式可看出，通過改變超聲波的頻率和功率，可分別實(shí)現(xiàn)對(duì)激光束方向的控制和強(qiáng)度的調(diào)制，這是聲光偏轉(zhuǎn)器和聲光調(diào)制器的基礎(chǔ)。從（10）式可知，超聲光柵衍射會(huì)產(chǎn)生頻移，因此利用聲光效應(yīng)還可以制成頻移器件。超聲頻移器在計(jì)量方面有重要應(yīng)用，如用于激光多普勒測(cè)速儀。以上討論的是超聲行波對(duì)光波的衍射。實(shí)際上，超聲駐波對(duì)光波的衍射也產(chǎn)生喇曼－納斯衍射和布喇格衍射，而且各衍射光的方位角和超聲頻率的關(guān)系與超聲行波的相同。不過，各級(jí)衍射光不再是簡(jiǎn)單地產(chǎn)生頻移的單色光，而是含有多個(gè)傅立葉分量的復(fù)合光?！緦?shí)驗(yàn)儀器】LOSG-II型晶體聲光效應(yīng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，主要包括光路部分和聲光效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀兩部分。光路部分包括He-Ne激光器（產(chǎn)生紅光），藍(lán)光和綠光激光器，激光器電源，光纖光源（產(chǎn)生紅外線），聲光器件，精密旋轉(zhuǎn)臺(tái)，導(dǎo)軌，白屏等；實(shí)驗(yàn)儀包括超聲波信號(hào)源，脈沖方波產(chǎn)生器，光電池、光功率計(jì)，脈沖信號(hào)解調(diào)器。實(shí)驗(yàn)時(shí)，另需配頻率計(jì)和雙蹤示波器器。He-Ne激光器：波長(zhǎng)632.8nm，功率2mw.聲光器件：工作波長(zhǎng)633nm,中心頻率100MHz±0.5MHz,衍射頻率240%,脈沖重復(fù)頻率21MHz.高頻超聲信號(hào)源：工作頻率 80-100MHZ,輸出功率約為700mw.調(diào)制脈沖頻率W10MHz,TTL接口。4?脈沖方波產(chǎn)生器：0.5-2KHz,TTL接口?！緦?shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟】按照要求安裝好有關(guān)部件：把激光器、精密旋轉(zhuǎn)臺(tái)、白屏等一字排列在軌道上，聲光器件固定在精密旋轉(zhuǎn)臺(tái)上；將激光器電源連接到激光器；把聲光效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀的超生功率輸出用電纜連接到聲光器件；“等幅/調(diào)幅”開關(guān)放在等幅位置，“光功率/解制”開關(guān)置于光功率。（一）測(cè)量紅光、藍(lán)光和綠光通過聲光晶體后產(chǎn)生布拉格衍射的衍射角光打開He-Ne激光器（紅光）電源，調(diào)整聲光器件在光路中的位置和光的入射角度，使光束穿過聲光器件，照射在白屏上。打開聲光效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀的電源（注意在未連接聲光調(diào)制器之前，不能開啟電源）仔細(xì)聲光器件在光路中的位置和光的入射角，調(diào)整信號(hào)源輸出功率至最大值(直流電流表指示最大)同時(shí)調(diào)節(jié)信號(hào)源輸出頻率，使光屏上出現(xiàn)布拉格衍射。調(diào)出布喇格衍射，測(cè)量紅光的衍射角(調(diào)節(jié)布拉格衍射時(shí)，使1級(jí)衍射光最強(qiáng)即可)。激光類型0級(jí)光與1級(jí)光的偏轉(zhuǎn)距離a(mm)聲光器件與光屏之間的距離