實驗四 電光效應(yīng)實驗

大恒新紀(jì)元科技股份有限公司光電研究所中國北京電話(8610)82782668傳真(8610)82782669版權(quán)所有不得翻印近代光學(xué)信息處理和光通訊系列實驗講義電光及聲光調(diào)制實驗PAGEPAGE18大恒新紀(jì)元科技股份有限公司光電研究所中國北京電話(8610)82782668傳真(8610)82782669版權(quán)所有不得翻印近代光學(xué)信息處理和光通訊系列實驗講義電光及聲光調(diào)制實驗電光、聲光調(diào)制及磁光效應(yīng)實驗實驗講義大恒新紀(jì)元科技股份有限公司版權(quán)所有不得翻印晶體的電光效應(yīng)【實驗?zāi)康摹?．掌握晶體電光調(diào)制的原理和實驗方法。2．了解一種激光通信的方法?！緦W(xué)史背景】當(dāng)給晶體或液體加上電場后，該晶體或液體的折射率發(fā)生變化，這種現(xiàn)象成為電光效應(yīng)。電光效應(yīng)在工程技術(shù)和科學(xué)研究中有許多重要應(yīng)用，它有很短的響應(yīng)時間（可以跟上頻率為1010Hz的電場變化），可以在高速攝影中作快門或在光速測量中作光束斬波器等。在激光出現(xiàn)以后，電光效應(yīng)的研究和應(yīng)用得到迅速的發(fā)展，電光器件被廣泛應(yīng)用在激光通訊、激光測距、激光顯示和光學(xué)數(shù)據(jù)處理等方面。【實驗原理】1．一次電光效應(yīng)和晶體的折射率橢球由電場所引起的晶體折射率的變化，稱為電光效應(yīng)。通?？蓪㈦妶鲆鸬恼凵渎实淖兓孟率奖硎荆簄=n0+aE0+bE02+……（1.1）式中a和b為常數(shù)，n0為不加電場時晶體的折射率。由一次項aE0引起折射率變化的效應(yīng)，稱為一次電光效應(yīng)，也稱線性電光效應(yīng)或普克爾（Pokells）效應(yīng)；由二次項bE02引起折射率變化的效應(yīng)，稱為二次電光效應(yīng)，也稱平方電光效應(yīng)或克爾（Kerr）效應(yīng)。一次電光效應(yīng)只存在于不具有對稱中心的晶體中，二次電光效應(yīng)則可能存在于任何物質(zhì)中，一次效應(yīng)要比二次效應(yīng)顯著。光在各向異性晶體中傳播時，因光的傳播方向不同或者是電矢量的振動方向不同，光的折射率也不同。如圖1，通常用折射率球來描述折射率與光的傳播方向、振動方向的關(guān)系。在主軸坐標(biāo)中，折射率橢球及其方程為（1.2）圖1式中n1、n2、n3為橢球三個主軸方向上的折射率，稱為主折射率。當(dāng)晶體加上電場后，折射率橢球的形狀、大小、方位都發(fā)生變化，橢球方程變成（1.3）晶體的一次電光效應(yīng)分為縱向電光效應(yīng)和橫向電光效應(yīng)兩種?？v向電光效應(yīng)是加在晶體上的電場方向與光在晶體里傳播的方向平行時產(chǎn)生的電光效應(yīng)；橫向電光效應(yīng)是加在晶體上的電場方向與光在晶體里傳播方向垂直時產(chǎn)生的電光效應(yīng)。通常KD*P（磷酸二氘鉀）類型的晶體用它的縱向電光效應(yīng)，LiNbO3（鈮酸鋰）類型的晶體用它的橫向電光效應(yīng)。本實驗研究鈮酸鋰晶體的一次電光效應(yīng)，用鈮酸鋰晶體的橫向調(diào)制裝置測量鈮酸鋰晶體的半波電壓及電光系數(shù)，并用兩種方法改變調(diào)制器的工作點，觀察相應(yīng)的輸出特性的變化。表1電光晶體(electro-opticcrystals)的特性參數(shù)點群對稱性晶體材料折射率波長()非零電光系數(shù)()3LiNbO32.2972.2080.63332Quartz(SiO2)1.5441.5530.589KH2PO4(KDP)1.51151.46980.5461.50741.46690.633NH4H2PO4(ADP)1.52661.48080.5461.52201.47730.633KD2PO4(KD*P)1.50791.46830.546GaAs3.600.93.341.03.2010.6InP3.421.063.291.35ZnSe2.600.633-ZnS2.360.62．電光調(diào)制原理要用激光作為傳遞信息的工具，首先要解決如何將傳輸信號加到激光輻射上去的問題，我們把信息加載于激光輻射的過程稱為激光調(diào)制，把完成這一過程的裝置稱為激光調(diào)制器。由已調(diào)制的激光輻射還原出所加載信息的過程則稱為解調(diào)。因為激光實際上只起到了“攜帶”低頻信號的作用，所以稱為載波，而起控制作用的低頻信號是我們所需要的，稱為調(diào)制信號，被調(diào)制的載波稱為已調(diào)波或調(diào)制光。按調(diào)制的性質(zhì)而言，激光調(diào)制與無線電波調(diào)制相類似，可以采用連續(xù)的調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相以及脈沖調(diào)制等形式，但激光調(diào)制多采用強度調(diào)制。強度調(diào)制是根據(jù)光載波電場振幅的平方比例于調(diào)制信號，使輸出的激光輻射的強度按照調(diào)制信號的規(guī)律變化。激光調(diào)制之所以常采用強度調(diào)制形式，主要是因為光接收器一般都是直接地響應(yīng)其所接受的光強度變化的緣故。激光調(diào)制的方法很多，如機械調(diào)制、電光調(diào)制、聲光調(diào)制、磁光調(diào)制和電源調(diào)制等。其中電光調(diào)制器開關(guān)速度快、結(jié)構(gòu)簡單。因此，在激光調(diào)制技術(shù)及混合型光學(xué)雙穩(wěn)器件等方面有廣泛的應(yīng)用。電光調(diào)制根據(jù)所施加的電場方向的不同，可分為縱向電光調(diào)制和橫向電光調(diào)制。下面我們來具體介紹一下這兩種調(diào)制原理和典型的調(diào)制器。2.1KDP晶體縱調(diào)制設(shè)電光晶體是與xy平行的晶片，沿z方向的厚度為L，在z方向加電壓（縱調(diào)制），在輸入端放一個與x方向平行的起偏振器，入射光波沿z方向傳播，且沿x方向偏振，射入晶體后，它分解成方向的偏振光（圖2.1），射出晶體后的偏振態(tài)由上一節(jié)(25)式表示：首先進(jìn)行坐標(biāo)變換，得到xy坐標(biāo)系內(nèi)瓊斯矩陣的表達(dá)式（參見第一章附錄）：如果在輸出端放一個與y平行的檢偏振器，就構(gòu)成泡克耳斯盒.由檢偏器輸出的光波瓊斯矩陣為：，（2.1）其中為兩個本征態(tài)通過厚度為L的電光介質(zhì)獲得的相位差，由上節(jié)（27）給出：。（1）式表示輸出光波是沿y方向的線偏振光，其光強為。（2.2）上式說明光強受到外加電壓的調(diào)制，稱振幅調(diào)制，I0為光強的幅值，當(dāng)圖2.2為泡克耳斯盒（振幅型縱調(diào)制系統(tǒng)）示意圖，z-切割的KD*P晶體兩端膠合上透明電極ITO1、ITO2，電壓通過透明電極加到晶體上去.在玻璃基底上蒸鍍透明導(dǎo)電膜，就構(gòu)成透明電極，膜層材料為錫、銦的氧化物，膜層厚度從幾十微米到幾百微米，其透明度高（>80%~90%），膜層的面電阻小(幾十歐姆)。在通光孔徑外鍍鉻，再鍍金或銅即可將電極引線焊上。KD*P調(diào)制器前后為一對互相正交的起偏振鏡P與檢偏振鏡（分析鏡）A，P的透過率極大方向沿KD*P感生主軸、的角平分線。在KD*P和A之間通常還加相位延遲片Q（即四分之一波片），其快、慢軸方向分別與、相同。PQITOPQITO1ITO2A圖2.2泡克耳斯盒P，起偏振器；Q，四分之一波片；A，檢偏振器；ITO，透明電極KD*P電極引線絕緣環(huán)由于入射光波預(yù)先通過四分之一波片移相，因而有 (2.3)加上預(yù)置的相位后，工作點移到調(diào)制曲線的中點附近，使線性大大改善.泡克耳斯盒的特性曲線見圖2.3.其輸出隨著外電壓的加大而加大，表明有更多的能量從x-偏振態(tài)轉(zhuǎn)移到y(tǒng)-偏振態(tài)中去.如果在電極間加交變電壓，(2.4)則，(2.5)式中為2k+1階貝塞爾函數(shù)，.(2.6).當(dāng)不大時（即調(diào)制電壓幅度較低時），（2.5）式近似表為，(2.7)可見系統(tǒng)的輸出光波的幅度也是正弦變化，稱正弦振幅調(diào)制。圖2.3線性電光效應(yīng)振幅調(diào)制器的特性曲線 圖2.3表示振幅型電光調(diào)制器(amplitudeelectro-opticmodulator)的特性曲線。圖中為輸入光信號的功率，為輸出光信號的功率，/即器件的透過率。為調(diào)制電壓?？梢钥闯?/4波片的作用相當(dāng)于工作點偏置到特性曲線中部線性部分，在這一點進(jìn)行調(diào)制效率最高，波形失真小。如不用波片（=0），輸出信號中只存在二次諧波分量。圖2.3線性電光效應(yīng)振幅調(diào)制器的特性曲線對于He-Ne激光，KDP的半波電壓為（2.8）如果用KD*P（磷酸二氘鉀），，調(diào)制電壓仍相當(dāng)高，給電路的制造帶來不便。常常用環(huán)狀金屬電極代替透明電極，但電場方向在晶體中不一致，使透過調(diào)制器的光波的消光比下降。2.2鈮酸鋰晶體橫調(diào)制(transversemodulation)(2.7)式表明縱調(diào)制器件的調(diào)制度近似為，與外加電壓振幅成正比，而與光波在晶體中傳播的距離（即晶體沿光軸z的厚度L，又稱作用距離）無關(guān)。這是縱調(diào)制的重要特性?？v調(diào)制器也有一些缺點。首先，大部分重要的電光晶體的半波電壓都很高。由于與成正比，當(dāng)光源波長較長時（例如10.6μm），更高，使控制電路的成本大大增加，電路體積和重量都很大。其次，為了沿光軸加電場，必須使用透明電極，或帶中心孔的環(huán)形金屬電極。前者制作困難，插入損耗較大；后者引起晶體中電場不均勻。解決上述問題的方案之一，是采用橫調(diào)制。圖2.4為橫調(diào)制器示意圖。電極D1、D2與光波傳播方向平行。外加電場則與光波傳播方向垂直。晶體光波傳播方向晶體光波傳播方向外電場(強度為外電場(強度為E)圖2.4橫調(diào)制；圖2.4橫調(diào)制；電極為D1、D2 我們已經(jīng)知道，電光效應(yīng)引起的相位差正比于電場強度E和作用距離L(即晶體沿光軸z的厚度)的乘積EL、E正比于電壓V，反比于電極間距離d，因此(2.8)對一定的，外加電壓V與晶體長寬比L/d成反比，加大L/d可使得V下降。電壓V下降不僅使控制電路成本下降、而且有利于提高開關(guān)速度。鈮酸鋰晶體具有優(yōu)良的加工性能及很高的電光系數(shù)，，常常用來做成橫調(diào)制器。鈮酸鋰為單軸負(fù)晶體，有。令電場強度為，代入方程（2.1-8）得到電場感生的法線橢球方程式：（2.9）或?qū)懽鳎海?.10）其中，（2.11）。（2.12）應(yīng)注意在這一情況下電場感生坐標(biāo)系和主軸坐標(biāo)系一致，仍然為單軸晶體，但尋常光和非常光的折射率都受到外電場的調(diào)制。設(shè)入射線偏振光沿xz的角平分線方向振動，兩個本征態(tài)x和z分量的折射率差為。（2.13）當(dāng)晶體的厚度為L，則射出晶體后光波的兩個本征態(tài)的相位差為，（2.14）上式說明在橫調(diào)制情況下，相位差由兩部分構(gòu)成：晶體的自然雙折射部分(式中第一項)及電光雙折射部分（式中第二項）。通常使自然雙折射項等于π/2的整倍數(shù)。 橫調(diào)制器件的半波電壓為，(2.15)我們用到關(guān)系式E=V/d。由上式可知半波電壓與晶體長寬比L/d成反比。因而可以通過加大器件的長寬比L/d來減小。橫調(diào)制器的電極不在光路中，工藝上比較容易解決。橫調(diào)制的主要缺點在于它對波長很敏感，稍有變化，自然雙折射引起的相位差即發(fā)生顯著的變化。當(dāng)波長確定時（例如使用激光），這一項又強烈地依賴于作用距離L。加工誤差、裝調(diào)誤差引起的光波方向的稍許變化都會引起相位差的明顯改變，因此通常只用于準(zhǔn)直的激光束中。或用一對晶體，第一塊晶體的x軸與第二塊晶體的z軸相對，使晶體的自然雙折射部分(16式中第一項)相互補償，以消除或降低器件對溫度、入射方向的敏感性。有時也用巴比涅－索勒爾（Babinet-Soleil）補償器，將工作點偏置到特性曲線的線性部分。迄今為止，我們所討論的調(diào)制模式均為振幅調(diào)制，其物理實質(zhì)在于：輸入的線偏振光在調(diào)制晶體中分解為一對偏振方位正交的本征態(tài)，在晶體中傳播過一段距離后獲得相位差，為外加電壓的函數(shù)。在輸出的偏振元件透光軸上這一對正交偏振分量重新疊加，輸出光的振幅被外加電壓所調(diào)制，這是典型的偏振光干涉效應(yīng)。2.3改變直流偏壓對輸出特性的影響①當(dāng)、Um<<時，將工作點選定在線性工作區(qū)的中心處，如圖3（a）所示，此時，可獲得較高效率的線性調(diào)制，把代入（18）式，得(2.16)由于Um<<時即T∝sinωt(2.17)這時，調(diào)制器輸出的信號和調(diào)制信號雖然振幅不同，但是兩者的頻率卻是相同的，輸出信號不失真，我們稱為線性調(diào)制。②當(dāng)、Um<<時，如圖3（b）所示，把代入（18）式即T∝cos2ωt（2.18）從上式可以看出，輸出信號的頻率是調(diào)制信號頻率的二倍，即產(chǎn)生“倍頻”失真。若把代入（18）式，經(jīng)類似的推導(dǎo)，可得（2.19）即T∝cos2ωt，輸出信號仍是“倍頻”失真的信號。(a)(b)圖3③直流偏壓U0在0伏附近或在附近變化時，由于工作點不在線性工作區(qū)，輸出波形將失真。④當(dāng)，Um>時，調(diào)制器的工作點雖然選定在線性工作區(qū)的中心，但不滿足小信號調(diào)制的要求。因此，工作點雖然選定在了線性區(qū)，輸出波形仍然是失真的。2.4用λ/4波片進(jìn)行光學(xué)調(diào)制上面分析說明電光調(diào)制器中直流偏壓的作用主要是在使晶體中x`,y`兩偏振方向的光之間產(chǎn)生固定的位相差，從而使正弦調(diào)制工作在光強調(diào)制曲線上的不同點。直流偏壓的作用可以用λ/4波片來實現(xiàn)。在起偏器和檢偏器之間加入λ/4片，調(diào)整λ/4波片的快慢軸方向使之與晶體的x`,y`軸平行，即可保證電光調(diào)制器工作在線性調(diào)制狀態(tài)下，轉(zhuǎn)動波片可使電光晶體處于不同的工作點上?！緦嶒瀮x器】電光調(diào)制電源組件、光接收放大器組件、He-Ne激光器組件、電光調(diào)制晶體組件、器偏起組件、檢偏器組件，具體配置見裝箱單?！緦嶒瀮?nèi)容】觀察電光調(diào)制箱內(nèi)置波形信號，以及解調(diào)信號器件放置如圖4所示，激光束與臺面平行，其它器件依次放入光路，并保持與激光束同軸等高。將晶體與電光調(diào)制箱連接，打開開關(guān)，調(diào)制切換選擇“內(nèi)”，輸出切換選擇“外”，通過“選擇”鍵選擇“正弦波”或“方波”，適當(dāng)調(diào)整“調(diào)制幅度”和“高壓調(diào)節(jié)”旋鈕，使波形不失真。將示波器與探測器接通，則可觀測到解調(diào)出來的內(nèi)置波形信號，適當(dāng)旋轉(zhuǎn)光路中的偏振片和波片，得到最清晰穩(wěn)定波形。將示波器的另一通道與電光調(diào)制箱的“信號輸出”連接，則可直接得到內(nèi)置波形信號，與解調(diào)出來的波形信號作對比。圖4電光調(diào)制光路示意圖音頻信號的電光調(diào)制與解調(diào)將mp3音源于電光調(diào)制實驗箱的“外部輸入”連接，調(diào)制切換選擇“外”，輸出切換選擇“內(nèi)”，則首先可從實驗箱內(nèi)置的揚聲器聽到清晰的mp3播放的音樂。再將輸出切換選擇“外”，把提供的外置揚聲器（音箱）與接收探測器連接，則可聽到mp3播出的音樂。適當(dāng)調(diào)整“調(diào)制幅度”和“高壓調(diào)節(jié)”旋鈕，旋轉(zhuǎn)光路中的偏振片和波片，使音樂最清晰。【注意事項】1．He-Ne激光管出光時，電極上所加的直流高壓，要注意人身安全。2．晶體又細(xì)又長，容易折斷，晶體電極上面的鋁條不能壓的太緊或給晶體施加壓力，以免壓斷晶體。3．電源的旋鈕順時針方向為增益加大的方向，因此，電源開關(guān)打開前，所有旋鈕應(yīng)該逆時針方向旋轉(zhuǎn)到頭，關(guān)儀器前，所有旋鈕逆時針方向旋轉(zhuǎn)到頭后再關(guān)電源。晶體的聲光效應(yīng)【實驗?zāi)康摹?．了解聲光效應(yīng)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．測量聲光偏轉(zhuǎn)和聲光調(diào)制曲線。4．完成聲光通信實驗光路的安裝及調(diào)試?！緦W(xué)史背景】聲光效應(yīng)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(jié)果。早在本世紀(jì)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(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、方向和強度提供了一個有效的手段。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)、光信號處理和集成光通訊技術(shù)等方面有著重要的應(yīng)用?！緦嶒炘怼慨?dāng)超聲波在介質(zhì)中傳播時，將引起介質(zhì)的彈性應(yīng)變作時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(yīng)。有超聲波傳播的介質(zhì)如同一個相位光柵。圖1聲光衍射聲光效應(yīng)有正常聲光效應(yīng)和反常聲光效應(yīng)之分。在各項同性介質(zhì)中，聲－光相互作用不導(dǎo)致入射光偏振狀態(tài)的變化，產(chǎn)生正常聲光效應(yīng)。在各項異性介質(zhì)中，聲－光相互作用可能導(dǎo)致入射光偏振狀態(tài)的變化，產(chǎn)生反常聲光效應(yīng)。反常聲光效應(yīng)是制造高性能聲光偏轉(zhuǎn)器和可調(diào)濾波器的基礎(chǔ)。正常聲光效應(yīng)可用喇曼－納斯的光柵假設(shè)作出解釋，而反常聲光效應(yīng)不能用光柵假設(shè)作出說明。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，并且運用動量匹配和失配等概念對正常和反常聲光效應(yīng)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(yīng)。圖1聲光衍射設(shè)聲光介質(zhì)中的超聲行波是沿方向傳播的平面縱波，其角頻率為，波長為波矢為。入射光為沿方向傳播的平面波，其角頻率為，在介質(zhì)中的波長為，波矢為。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(yīng)變而引起的介質(zhì)的折射率的變化由下式?jīng)Q定（1）式中，為介質(zhì)折射率，為應(yīng)變，為光彈系數(shù)。通常，和為二階張量。當(dāng)聲波在各項同性介質(zhì)中傳播時，和可作為標(biāo)量處理，如前所述，應(yīng)變也以行波形式傳播，所以可寫成（2）當(dāng)應(yīng)變較小時，折射率作為和的函數(shù)可寫作（3）式中，為無超聲波時的介質(zhì)的折射率，為聲波折射率變化的幅值，由（1）式可求出設(shè)光束垂直入射（⊥）并通過厚度為的介質(zhì)，則前后兩點的相位差為（4）式中，為入射光在真空中的波矢的大小，右邊第一項為不存在超聲波時光波在介質(zhì)前后兩點的相位差，第二項為超聲波引起的附加相位差（相位調(diào)制），。可見，當(dāng)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(shè)入射面上的光振動為，為一常數(shù)，也可以是復(fù)數(shù)?？紤]到在出射面上各點相位的改變和調(diào)制，在平面內(nèi)離出射面很遠(yuǎn)一點的衍射光疊加結(jié)果為寫成等式時，（5）式中，為光束寬度，為衍射角，為與有關(guān)的常數(shù)，為了簡單可取為實數(shù)。利用一與貝塞耳函數(shù)有關(guān)的恒等式式中為（第一類）階貝塞耳函數(shù)，將（5）式展開并積分得（6）上式中與第級衍射有關(guān)的項為（7）（8）因為函數(shù)在取極大值，因此有衍射極大的方位角由下式?jīng)Q定：（9）式中，為真空中光的波長，為介質(zhì)中超聲波的波長。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)為超聲波長的光柵。由（7）式可知，第級衍射光的頻率為（10）可見，衍射光仍然是單色光，但發(fā)生了頻移。由于，這種頻移是很小的。第m級衍射極大的強度可用（7）式模數(shù)平方表示：（11）式中，為的共軛復(fù)數(shù)，第級衍射極大的衍射效率定義為第級衍射光的強度與入射光的強度之比。由（11）式可知，正比于。當(dāng)為整數(shù)時，。由（9）式和（11）式表明，各級衍射光相對于零級對稱分布。當(dāng)光束斜入射時，如果聲光作用的距離滿足，則各級衍射極大的方位角由下式?jīng)Q定（12）式中為入射光波矢與超聲波波面的夾角。上述的超聲衍射稱為喇曼－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，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－1級衍射。如圖2所示。這種衍射與晶體對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?？梢宰C明，布喇格角滿足＋1級0級＋1級0級＋1級0級圖2布拉格衍射（13）式中（13）稱為布喇格條件。因為布喇角一般都很小，故衍射光相對于入射光的偏轉(zhuǎn)角（14）式中，為超聲波的波速，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（15）式中，為超聲波功率，和為超聲換能器的長和寬，為反映聲光介質(zhì)本身性質(zhì)的一常數(shù)，，為介質(zhì)密度，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，可分別實現(xiàn)對激光束方向的控制和強度的調(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。超聲頻移器在計量方面有重要應(yīng)用，如用于激光多普勒測速儀。以上討論的是超聲行波對光波的衍射。實際上，超聲駐波對光波的衍射也產(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，各級衍射光不再是簡單地產(chǎn)生頻移的單色光，而是含有多個傅立葉分量的復(fù)合光?！緦嶒瀮x器】TSGMG-1/Q型高速正弦聲光調(diào)制器及驅(qū)動電源，可用在激光照排機、激光傳真機、電子分色機或者其他文字、圖像處理等系統(tǒng)中。主要技術(shù)指標(biāo)激光波長:632.8nm工作頻率:150MHz衍射效率：≥70％正弦重復(fù)頻率：≥8MHz靜態(tài)透過率：≥90%工作原理本產(chǎn)品由聲光調(diào)制器及驅(qū)動電源兩部分組成。驅(qū)動電源產(chǎn)生150MHz頻率的射頻功率信號加入聲光調(diào)制器，壓電換能器將射頻功率信號轉(zhuǎn)變?yōu)槌盘?，?dāng)激光束以布拉格角度通過時，由于聲光互作用效應(yīng)，激光束發(fā)生衍射（如圖1），這就是布拉格衍射效應(yīng)。外加文字和圖像信號以正弦（連續(xù)波）輸入驅(qū)動電源的調(diào)制接口“調(diào)制”端，衍射光光強將隨此信號變化，從而達(dá)到控制激光輸出特性的目的，如圖2所示。驅(qū)動電源驅(qū)動電源匹配網(wǎng)絡(luò)入射光壓電換能器TeO2聲光互作用介質(zhì)+1級衍射光0級衍射光圖1布拉格衍射原理圖輸出電信號輸入電信號輸出電信號輸入電信號圖2衍射光隨調(diào)制信號的變化聲光調(diào)制器由聲光介質(zhì)（氧化碲晶體）和壓電換能器（鈮酸鋰晶體）、阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)組成，聲光介質(zhì)兩通光面鍍有632.8nm的光學(xué)增透膜。整個器件由鋁制外殼安裝。外形尺寸和安裝尺寸如圖3示（單位：mm）。通光孔M2沉頭螺釘3-M3深5安裝孔通光孔M2沉頭螺釘3-M3深5安裝孔圖3聲光調(diào)制器外形尺寸118146調(diào)制等幅調(diào)制輸入輸出+24V3539086118146調(diào)制等幅調(diào)制輸入輸出+24V3539086圖4驅(qū)動電源外形尺寸驅(qū)動電源由振蕩器、轉(zhuǎn)換電路、調(diào)制門電路、電壓放大電路、功率放大電路組成。外輸入調(diào)制信號由“調(diào)制輸入”端輸入，工作電壓為直流+24V，“輸出”端輸出驅(qū)動功率，用高頻電纜線與聲光器件相聯(lián)。外形尺寸和安裝尺寸如圖4示（單位：mm）。使用和維修3.1使用方法3.1.1用高頻電纜將聲光器件和驅(qū)動電源“輸出”端聯(lián)接；3.1.2接上+24V的直流工作電壓。調(diào)制輸入電信號幅度在250～350mV之間；3.1.3調(diào)整聲光器件在光路中的位置和光的入射角度，在一級衍射光達(dá)到最好狀態(tài)；3.1.4驅(qū)動電源“調(diào)制輸入”端接上外調(diào)制信號，并撥動調(diào)制開光到“調(diào)制”即可正常工作；3.1.5+24V的直流工作電壓不得接反，否則驅(qū)動電源燒壞；3.1.6驅(qū)動電源不得空載，即加上直流工作電壓前，應(yīng)先將驅(qū)動電源“輸出”端與聲光器件或其他50Ω負(fù)載相連；3.1.7產(chǎn)品應(yīng)小心輕放，特別是聲光器件更應(yīng)注意，否則將可損壞晶體而報廢；3.1.8聲光器件的通光面不得接觸，否則損壞光學(xué)增透膜。【實驗內(nèi)容】正確連接聲光調(diào)制器各個部分，開機預(yù)熱5分鐘；調(diào)整光路同軸等高，使激光束按照一定角度入射聲光調(diào)制器晶體，保證激光束穿過晶體后出現(xiàn)清晰的衍射光斑在白紙上；觀察該布拉格衍射光斑，并通過測量0-1級衍射光斑的距離和晶體到白紙屏的距離計算衍射角。進(jìn)一步調(diào)整晶體的角度和位置，使零級斑一側(cè)的衍射光斑更明亮，用狹縫1級或2級衍射斑通過，并用界探測器接收。將mp3與聲光調(diào)制器連接，揚聲器與探測器連接，則可聽到mp3播出的音樂聲。圖5聲光調(diào)制光路示意圖聲光實驗實驗擴展—測量未知波長激光根據(jù)現(xiàn)有實驗器件和現(xiàn)有實驗條件，本實驗可以測量激光波長。主要思路如下：1、可認(rèn)為聲光晶體能形成周期變化的光柵，當(dāng)632.8nm紅光經(jīng)過聲光晶體時在其后會出現(xiàn)不同衍射級次，而且能清晰分辨，如果其后豎直白屏接收衍射點，我們可以測量0級和1級之間水平距離a，然后測量晶體到白屏的距離b，可得到衍射角的大小θ，tanθ=a/b,θ=arctan(a/b),如果d為光柵常數(shù)，λ632.8為激光波長，衍射級次k=1，根據(jù)dsinθ=λ632.8，可以求得光柵常數(shù)d=λ632.8/sinθ.2、再求得光柵常數(shù)之后，我們可以把未知波長的激光器代替氦氖激光器加入光路，根據(jù)1中測量方法可以得到1級衍射角度，λ未知=dsinθ，其中d在上式已經(jīng)求出。3、需要說明的是聲光晶體在表面鍍有632.8nm的增透膜，即使如此未知波長激光肯定也能透過聲光晶體。磁致旋光（法拉第）效應(yīng)【實驗?zāi)康摹?．掌握磁光效應(yīng)的原理和實驗方法。2．計算磁光介質(zhì)的Verdet常數(shù)?！緦W(xué)史背景】磁光效應(yīng)是指光與磁場中的物質(zhì)，或光與具有自發(fā)磁化強度的物質(zhì)之間相互作用所產(chǎn)生的各種現(xiàn)象，主要包括法拉第（Faraday）效應(yīng)、柯頓-莫頓（Cotton-Mouton