固體聲光效應實驗

固體聲光效應實驗什么是聲光效應？聲光效應是指光通過某一受到超聲波擾動的介質(zhì)時發(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果。

聲光效應正常聲光效應：在各向同性介質(zhì)中，聲與光相互作用不導致入射光偏振狀態(tài)的變化?？捎醚苌涔鈻偶僭O作出解釋。反常聲光效應：在各向異性介質(zhì)中，聲與光相互作用導致入射光偏振狀態(tài)的變化。不能用光柵假設作出說明。本實驗只涉及到各向同性介質(zhì)中的正常聲光效應。＜實驗目的＞1.了解聲光效應的原理。2.了解喇曼—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，中心頻率和帶寬等的測量，加深對其概念的理解。4.測量聲光偏轉(zhuǎn)和聲光調(diào)制曲線。5.模擬激光通訊實驗。<實驗裝置>一套完整的SO2000聲光效應實驗儀配有：已安裝在轉(zhuǎn)角平臺上的100MHz聲光器件半導體激光器100MHz功率信號源LM601CCD光強分布測量儀光具座信號同步聲光功率信號源激光器轉(zhuǎn)角平臺光強分布測量儀YX示波器頻率計<實驗原理>設聲光介質(zhì)中的超聲行波是沿у方向傳播的平面縱波，其角頻率為ws，波長為λs，波矢為ks。入射光為沿х方向傳播的平面波，其角頻率為w，在介質(zhì)中的波長為λ，波矢為k。介質(zhì)內(nèi)的彈性應變也以行波形式隨聲波一起傳播。由于光速大約是聲波的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。KSb2b2L2χyKoL2θ圖9：聲光衍射應變引起的介質(zhì)折射率的變化n為介質(zhì)折射率，S為應變，P為光彈系數(shù)。在各向同性介質(zhì)中，S和P可作為標量處理。應變也以行波形式傳播，所以可寫成S=S0當應變S較小時，折射率作為y和t的函數(shù)可寫作

n0+

n0為無超聲波時的介質(zhì)折射率，為聲致折射率變化的幅值。設光束垂直入射（k垂直于ks），并通過厚度L為的介質(zhì)，則光波前后兩點的相位差可由波矢和光程求出，即有

可見，當波陣面為平面的光波入射在介質(zhì)的前界面上時，超聲波使出射光波的波陣面變?yōu)橹芷谧兓陌櫿鄄妫瑥亩淖兞顺錾涔獾膫鞑ヌ卣?，使光產(chǎn)生衍射。設入射面上的光振動為，A為一常數(shù)，也可以是復數(shù)。考慮到在出射面上各點相位的改變和調(diào)制，在xy平面內(nèi)離出射面很遠一點處的衍射光疊加結果為b為光束寬度，為衍射角，C為與A及有關的常數(shù)，為了簡單可取為實數(shù)。++=展開并積分得：其中，與第m級衍射有關的項為：=函數(shù)在時取極大值，因此衍射極大的方位角由下式?jīng)Q定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)相當于一個光柵常數(shù)為超聲波長的光柵。第m級衍射光的頻率為可見，衍射光仍然是單色光，但發(fā)生了頻移。且這種頻移是很小的。

=喇曼—納斯衍射當光束斜入射時，如果聲光作用的距離仍滿足L<，則各級衍射極大的方位角由下式?jīng)Q定：i為人射光波矢與超聲波波面之間的夾角，聲與光相互作用可產(chǎn)生多級衍射。此時，有超聲波存在的介質(zhì)起一個平面相位光柵的作用。布喇格衍射當聲光作用的距離滿足L>，而且光束相對于超聲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)1級或者-1級衍射。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)起一個體積光柵的作用。布喇格條件：=λ/2λs

因為布喇格角一般都很小，故介質(zhì)內(nèi)衍射光相對于入射光的偏轉(zhuǎn)角為:

vs為超聲波的波速，fs為超聲波的頻率，其它量的意義同前。在布喇格衍射條件下，一級衍射光的效率為理論上布喇格衍射的衍射效率可達到100％，而喇曼—納斯衍射中一級衍射光的最大衍射率僅為34％，所以實用的聲光器件一般都采用布喇格衍射。（以上復雜原理為網(wǎng)上摘得==）

=<實驗過程>1.安裝連接實驗儀器2.調(diào)出布喇格衍射解決“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。本實驗中，每格對應實際空間距離為2700個像元÷8格×11μm=3712.5μm=3.7125mm，每小格對應實際空間距離為3.7125mm÷5=0.7425mm

<實驗過程>3.布喇格衍射下測量衍射光相對于入射光的偏轉(zhuǎn)角φ與超聲波頻率（即電信號頻率）fs的關系曲線，并計算聲速νs。次數(shù)0級光與1級光的偏轉(zhuǎn)距離（mm）L(mm)φ

fs12….……………Vs…<實驗過程>4.布喇格衍射下，固定超聲波功率，測量衍射光相對于零級衍射光的相對強度與超聲波頻率的關系曲線，并定出聲光器件的帶寬和中心頻率。5.布喇格衍射下，將功率信號源的超聲波頻率固定在聲光器件的中心頻率上，測出衍射光強度與超聲波功率，并作出其聲光調(diào)制關系曲線。6測定布喇格衍射下的最大衍射效率，衍射效率=I1/I0.<實驗結果>數(shù)據(jù)處理與作圖1、入射光的偏轉(zhuǎn)角與超聲波頻率的關系曲線