1、32实验 声光效应1921 年，布里逊曾预言：在有短波长的压力波横向通过的液体中，当可见光照射时，会出现类似于一刻线光栅那样产生衍射现象。1932 年，德拜和西尔斯以及卢卡斯和比夸特分别独立地观察到超声波对光的衍射。此后一段时间，一些学者从实验和理论方面对这一现象做了较深入的研究，但应用方面进展不大。近年来，由于高频声学和激光器的飞速发展，人们利用这一效应对光束频率、强度和传播方向的控制作用制成了声光偏转器和声光调制器等。这些器件已广泛应用于激光雷达扫描，电视大屏幕显示器的扫描，高清晰度的图像传真，光信息储存等近代技技术。声光效应是指光通过某一受到超声波扰动的介质时发生衍射的现象，这种现象是光
2、与介质中的声波相互作用的结果。声光效应为控制激光束的频率、方向和强度提供了一个有效的手段。利用声光效应制成的声光器件（如声光调制器、声光偏转器和可调谐滤光器等）在激光技术、光信号处理和集成光通信技术等方面有着重要的应用。【实验目的】（1）了解声光效应的原理；（2）了解喇曼纳斯衍射和布喇格衍射的实验条件和特点；（3）通过对声光衍射器件衍射效率测量，加深对这些概念的理解；（4）测量光偏转和光调制曲线。【实验原理】当超声波在介质中传播时，将引起介质的弹性应变作时间上和空间上的周期性的变化，并且导致介质的折射率也发生相应的变化。当光束通过有超声波的介质后就会产生衍射现象，这就是声光效应。声光效应有正常
3、声光效应和反常声光效应之分。在各向同性介质中，声与光相互作用不导致入射光偏振状态的变化，产生正常声光效应。在各向异性介质中，声与光相互作用导致入射光偏振状态的变化，产生反常声光效应。声光效应是制造高性能声光偏振器件和可调谐滤光器的物理基础。正常声光效应可用衍射光栅假设作出解释，而反常声光效不能用光栅假设作出说明。本实验采用衍射光栅假设对各向同性介质中的声光效应作一简要的讨论。设声光效应中的超声行波是沿 方向传播y的平面纵波，其角频率为 ，波长为 ，波ss矢为 （ = ） 。入射光为沿 方向传播sks2x的平面波，其角频率为 ，在介质中的波长为 ，波矢为 （如图 1） 。介质内的弹性应变k也以行
4、波形式随声波一起传播。当声光作用的距离较小，满足 ，这种频移是很小的。第 级衍射极大的强度 可用式（7）模数平方表示：I（11）m0E*2CbJ0I2mJ式中 为 的共轭复数， = 。*0EI2第 级衍射极大的衍射效率 定义为第 级衍射光的强度与入射光强度之比。由式 m（11）可知， 正比于 。由于 为一整数， = 。式（9）和mJaJm1mJ（11）表明，各级衍射光相对于零级对称分布。当光束斜入射时，如果声光作用的距离仍满足 ，而且光束相对于超声波波面以某一角度斜入射时，L2s在理想情况下除了 0 级之外，只出现 1 级或者一 1 级衍射，如图 3 所示。这种衍射与晶体对 X 光的布喇格衍射
5、很类似，故称为布喇格衍射。能产生这种衍射的光束入射角称为布喇格角。此时有超声波存在的介质起一个体积光栅的作用。可以证明，布喇格角满足= （13）Bisns2式（13）称为布喇格条件。因为布喇格角一般都很小，故介质内衍射光相对于入射光的偏转角为= （14）Bi2snv0sf式中， 为超声波波速， 为s超声波频率，其它量的意义同前。在布喇格衍射的情况下，一级衍射光的衍射效率为= （15） HLPMs2sin02式中， 为超声波功率， 和 为超声换能器的长和宽， 为反映声光介质本身性质的sPLH2一常数， = ， 为介质密度， 为光弹系数。在布喇格衍射下，衍射光的2M)/(36svn频率也由式（10
6、）决定。理论上布喇格衍射的衍射效率可达到 100，而喇曼纳斯衍射中一级衍射光的最大衍射率仅为 34，所以实用的声光器件一般都采用布喇格衍射。由式（14）和式（15）可看出，通过改变超声波的频率和功率，可分别实现对激光光束方向的控制和强度的调制，这是声光偏转器和声光调制器的物理基础。从式（10）可知，超声光栅衍射会产生频移，因此利用声光效应还可制成频移器件。超声频移器在计量方面有重要应用，如用于激光多普勒测速仪等。以上讨论的是超声行波对光波的衍射。实际上，介质中也可能出现超声驻，超声驻波对光波的衍射也产生喇曼纳斯衍射和布喇格衍射，而且各衍射光的方位角和超声频率的关系与超声行波时的相同。不过，各级
7、衍射光不再是简单地产生频移的单色光，而是含有多个傅里叶分量的复合光。【实验装置简介】图 3 布喇格衍射36实验装置主要有 He-Ne 激光器、声光器件、声光器件调节架、有功率输出的高频信号发生器、光电接收装置和导轨等部分。图 4 是实验装置示意图。1声光器件声光器件的结构示意如图 5 所示。它由声光介质、压电换能器和吸声材料组成。本实验采用的声光器件的声光介质为钼酸铅晶体，对氦氖激光 6328nm 其折射率 239 ，声速 3632 。nsvsm/103吸声（或反射）材料的作用是吸收（或反射）通过介质传播到端面的超声波以建立超声行波（或驻波） 。压电换能器又称超声发生器，由妮酸锂晶体或其他压电
8、材料制成。它的作用是将电功率转换成声功率，并在声光介质中建立起超声场。压电换能器是一个机械振动系统，又是一个与超高频信号发生器相联系的电振动系统，或者说是超高频信号发生器的负载。为了获得最佳的电声能量转换效率，换能器的阻抗应当于电源内阻相当匹配。声光器件有一个衍射效率最大的工作频率，此频率称为声光器件的中心频率，记为 。对于其他cf37频率的超声波其衍射效率将降低。规定衍射效率（或衍射光的相对光强）下降 3db（即衍射效率降到最大值的一半时） ，两频率间的间隔为声光器件的带宽。2超高频信号发生器本实验采用 XG22 型信号发生器，其频率范围为 80MHz150MHz，最大输出功率为 2 瓦。使
9、用时应注意：不能空载，换挡时先将功率输出调到零；注意仪器的散热3光电接受系统本试验的光电接受系统由硅光电池组成。4声光器件调节架声光器件调节架用来安放声光器件，并用于调节声光器件相对于入射光束的角度。【实验内容及注意事项】首先将整个光学系统调至共轴，再进行以下的观察和测量：1观察喇曼纳斯衍射和布喇格衍射，比较两种衍射的实验条件和特点，实验可以通过改变超声波频率、改变光束人射角等来找典型的喇曼纳斯衍射和布喇格衍射。2在布喇格衍射下，测量固定超声波功率条件下 1 级衍射光衍射效率与超声波频的关系曲线，并定出声光器件的带宽和中心频率。实验时为了消除介质吸收的影响，入射光的强度 ，用声光介质中无超声波
10、存在时透iI射光的强度来代替，而不是直接测量光源的强度。衍射效率 可以由衍射光的强度 ，与fI入射光的强度 相比得到，即iI=ifI另外，由于实验所使用的声光器件性能不够完善，布喇格衍射不是理想的，会出现高级次衍射现象。调节布喇格衍射时，使 1 级衍射光最强即可。3测定布喇格衍射下的最大衍射效率。注意：此时应将超声波频率固定在声光器件的中心频率上。4在布喇格衍射下，将超声波频率固定在声光器件中心频率上，测出衍射光强度与超声波功率的关系曲线（声光调制） 。5在布喇格衍射下测量衍射光相对于入射光的偏转角 与超声波频率（即电信号频率） 的曲线关系 （声光偏转） ，并计算声速 。sf sv测出 8 组
11、（ , ） ，做 和 曲线。sfsf注意：式（13）和式（14）中的布喇格角 和偏转角 都是指介质内的角度，直接测Bi出的角度是空气中的角度，应进行换算。6在满足喇曼纳斯衍射条件的某一超声波频率 下，测量当光束垂直于声束传播sf方向入射时，喇曼纳斯衍射各级衍射光的衍射角、衍射效率。注意，判断光束是否垂直于声束传播方向应以多级衍射光相对于 0 级是否对称为准，而不是简单地让光束垂直于声光晶体的表面。实验时把超声波功率固定在布喇格衍射最佳时的功率上。38SBi2sn【思考题】1为什么说声光器件相当于相位光栅?2声光器件在什么实验条件下产生喇曼纳斯衍射?两种衍射的现象各有什么特点?3调节喇曼纳斯衍射时，如何保证光束垂直入射?【课前思考题】1. 解释声光效应。2. 衍射极大的方位角 m 由下式决定：各个物理量的物理意义是什么？s0sin3. 衍射极大的衍射效率 的定义？4. 布喇格条件：衍射光相对于入射光的偏转角 ：公式中各物理量的物理含义？5. 为何常选择超声波来进行声光实验？6. 说明声光偏转器和声光调制器的物理基础。7. 声光器件的中心频率，记为 ，指的是什么？cf8. 声光器件的带宽怎么确定？0ssifV
