声光效应的理论与实验研究 毕业论文.doc

盐 城 师 范 学 院毕业论文 20122013学年度 声光效应的理论与实验研究学生姓名 学 院 物理科学与电子技术学院 专 业 物理学 班 级 09（2） 学 号 09223112 指导教师 2013年 05 月 20日毕业论文承诺书本人郑重承诺：1、本论文是在指导教师的指导下，查阅相关文献，进行分析研究，独立撰写而成的。2、本论文中，所有实验、数据和有关材料均是真实的。3、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或机构已经撰写发表过的研究成果。4、本论文如有剽窃他人研究成果的情况，一切后果自负。学生（签名）： 2013 年 5 月 20 日盐城师范学院毕业设计声光效应理论和实验研究摘 要声波是弹性波，当超声波在介质中传播时，将引起介质的弹性应变作时间和空间上的周期性变化，并且致使介质的折射率也作相应变化。有超声波传播的介质如同一个相位光栅，当光束通过有超声波的介质后就会产生衍射现象。本论文旨在加深对声光效应原理的理解，通过实验验证声光效应理论。在熟悉喇曼纳斯衍射及布拉格衍射的实验条件和特点的基础上，通过对声光器件0级和+1级(-1级)衍射光斑的距离和光功率值的测量，绘制出声光偏转和声光调制曲线，进而求得声光衍射效率和衍射偏转角。【关键词】声光效应；声光偏转；声光调制；衍射效率iv盐城师范学院毕业设计study of theory and experiment for acousto-optic effectabstractsound waves are elastic waves, when the ultrasonic wave transmits in a medium, it will cause the elastic strain of the medium changing in a periodic way as time and space , and also lead to the change of refractive index of the medium accordingly. a medium with ultrasonic wave can be regarded as a phase grating. when laser beam goes through that medium can produce diffraction phenomenon. the object of this paper is to understand the principle of acousto optical effect, prove the theory of acousto-optical effect through the experiment. on the base of familiar with the conditions of diffraction experiment and characteristics of raman and bragg diffraction, the light diffraction efficiency and the angle of diffraction deflection are calculated with the measurement for distance of acousto-optical device from level 0 to level+1(-1) and light power, mapping out acousto-optical deflection and acousto-optical modulation curve.key words acousto-optical effect; acousto-optical deflection; acousto-optical modulation; diffraction efficiency目 录摘 要iabstractii1声光效应的发展趋势及应用11.1 发展趋势11.2 主要应用11.2.1 声光调制器21.2.2 声光偏转器21.2.3 声光移频器21.2.4 声光可调滤光器22声光效应的基本原理22.1 喇曼奈斯衍射42.2 布拉格衍射63 声光布拉格衍射实验73.1声光器件的组成73.2声光布拉格衍射的仪器及操作步骤83.2.1实验仪器结构83.2.2各单元主要技术参数83.2.3 实验步骤93.3实验数据记录及结果分析103.3.1声光偏转中偏转角和超声波声速测量103.3.2衍射效率114 总结14参考文献15致 谢16引 言 超声波通过介质时会导致介质的局部压缩和伸长而产生弹性应变，该应变随时间和空间作周期性变化，使介质出现疏密相间的现象，该现象是光波与介质中声波相互作用的结果。此时，若有一光束通过该介质将会产生衍射，这种现象称为声光效应。声光效应从发现至今，已经得到了广泛的应用。利用该效应已制成了各种声光器件，如声光调制器件、声光偏转器件、声光调q开关、可调谐滤光器和脉冲幅度分析仪等。这些器件能快速有效地控制激光束的强度、方向和频率，还可把电信号实时转换为光信号，它们在激光技术、光信号处理和集成光通讯技术等方面发挥着极其重要的作用。本论文在深入分析声光效应原理的基础上，利用现有的实验设备和条件进行声光效应的实验研究,加深对声光效应的特点及规律的理解和掌握，分析影响声光效应衍射角和声光衍射效率的因素。1声光效应的发展趋势及应用1.1 发展趋势1922年，l.n.布里渊在理论上预言了声光衍射效应。1932年 p.j.w.德拜和f.w.席尔斯以及r.卢卡斯和p.比夸特分别观察到了声光衍射现象。从1966年到1976年期间，声光衍射理论、新声光材料及高性能声光器件的设计和制造工艺都得到了迅速发展。1970年，实现了声表面波对导光波的声光衍射，并研制成功表面（或薄膜）声光器件。1976年以后，随着声光技术的发展，声光信号处理已成为光信号处理的一个分支。而对声光衍射的实验研究早在20世纪30年代就已经开始了。到了60年代，激光器的问世又为声光现象的研究提供了理想的光源，进一步促进了声光效应理论和应用研究的迅速发展。1.2 主要应用利用声光效应中的布拉格衍射和拉曼-奈斯衍射制成的声光器件,具有输入光学系统简单、控制方便、能承受大光功率、响应时间快等优点。随着声光材料性能的不断提高和新声光介质的出现，使声光器件具有良好的发展前景。目前已制成的声光器件主要有声光调制器件、声光偏转器件、声光调q开关、可调谐滤光器和脉冲幅度分析仪等等。这些器件在激光技术、光信号处理和集成光通讯技术等方面发挥着重要的作用。iii1.2.1 声光调制器声光调制器是根据声光调制原理制成的器件。声致相移y和超声功率ps之间的关系为 （1）式中m2是由声光材料性质决定的物理量，称为声光优值，下文将作进一步说明。 （2） （3）由（2）和（3）可见，改变ps（实际是改变加在压电换能器上的电信号功率）即可改变h或id的值。当y较小时，sin(y/2)y/2，易得h(y/2)2ps，即可实现线性调制。1.2.2 声光偏转器声光偏转器是根据声光偏转原理制成的器件。由下文图3可见，偏转角 (即衍射光与入射光之间的夹角)f=qi+qd，把式qi=qd=qbsinqb =l/2ls代入，即得f=l/ls=lfs/vs。因此，只要改变加在压电换能器上的电信号频率fs，就可以改变衍射光的方向。1.2.3 声光移频器因为超声波是向前传播的，声光衍射时光将发生多普勒频移。对于1级布拉格衍射，wd=wiw，式中wi、wd和w分别是入射光、衍射光和超声波的圆频率。改变电信号频率fs=w/2p，就可以改变衍射光的频率。1.2.4 声光可调滤光器如果入射光具有复杂的光谱成分(即包括许多不同波长的光)，由ls=vs/fs，qi可改写成qd=lfs/2vs，这说明不同的入射光波长l，就有不同的衍射角qd。相对地，改变电信号频率fs，波长不同的光将相应地分别被声光衍射取出。2声光效应的基本原理声波在介质中传播时，会引起介质密度（折射率）发生周期性变化，可将此声波引起的介质密度周期性变化的现象称为声光栅。声光栅的栅距等于声波的波长。当光波射于声光栅时，即发生光的衍射，这种现象即为声光效应，它是光波与介质中声波相互作用的结果。由于弹光效应，当超声纵波以行波形式在介质中传播时会使介质折射率产生正弦或余弦规律变化，并随超声波一起传播。当激光通过此介质时，折射率就会发生变化。其中衍射光偏转角随超声波频率的变化现象称为声光偏转；衍射光强度随超声波功率而变化的现象称为声光调制。设声光介质中的超声行波是沿着y方向传播的平面纵波，该行波的角频率为ws，波长为ls，波矢为。介质中的弹性应变同样会以行波的形式随着声波一同传播。角频率为w的入射光沿着x轴方向的平面波，其在介质中的波长为l，波矢为。考虑到光速约为声波的105倍，在光波经过时，在空间上介质周期性的变化可看作是固定的。图1为声光衍射示意图，图中a是光束的宽度，l是介质的厚度，qd为衍射角。图1 声光衍射原理图应变导致介质产生的折射率变化由下式决定： （4）式中，n为介质的折射率，s是应变，p为弹光系数。通常，p与s为二阶张量。声波在各向同性的介质中传播，p和s可作为标量来处理。如前所述，应变也会按照行波的形式来传播，因此可以写成 （5）式中：s0为介质质点的位移幅度。应变较小时，可近似认为介质的折射率变化正比于介质质点沿y方向位移的变化率，即 （6）或 （7）上式中dn=-kss0，应变较小时，折射率关于y和t的函数可以写成 （8）式中，n0为没有超声波时介质的折射率，dn是介质在声波中的折射率变化幅值，由（4）式求出 （9）若光束是垂直射入的，即kks，则光通过介质前后两点产生的相位差为 （10）式中，l为介质厚度，k0是真空中入射光波矢的大小，df0为在光波未加超声波时介质前后两点产生的相位差。后一项是由超声波带来的附加相差（相位调制），。2.1 喇曼奈斯衍射当光斜入射时，如果声光相互作用的距离满足lws，故这种平移很小。此外，第m级衍射极大的强度im可用（16）式模数平方表示： （19）式中i0=a2a2。第m级衍射极大的衍射效率hm定义为第m级衍射光强与入射光强之比。由（19）式可知，hmjm2(df)。m为整数时，j-m(-a)=(-1)mjm(a)。由（17）式和（19）式可以看出，各级衍射光对称分布，零级位于对称轴上。当光束斜入射时，满足下式 （20）式中qi是超声波波面与入射光波矢的夹角。2.2 布拉格衍射当声光作用的距离满足l2ls2/l，而且光束相对于超声波波面以某一角度斜入射时，在理想情况下除了0级之外，只出现+1级或-1级衍射。此时有超声波存在的介质起到了体积光栅的作用，如图3所示。 图3 布拉格衍射（-1级和+1级）该衍射类似于晶体对x光的布喇格衍射，故称为布拉格衍射。布拉格角为能产生这种衍射的光束入射角。可以证明，布拉格角满足 （21）上式称为布拉格条件，其中qb=qi=qd。因为布喇拉格角一般都很小，故衍射光相对于入射光的偏转角为 （22）式中，vs为超声波的波速，fs为超声波的频率，n为介质折射率，其它量的意义同前。根据分析，布拉格衍射一级衍射光的效率为 （23）式中，ps是超声波的功率，l和h分别为换能器的长与宽，m2=n6p2/rvs6是声光介质本身特性的参数，p为光弹系数，r为介质密度。喇曼奈斯衍射光的效率也由（23）式决定。但是，布拉格衍射的衍射效率理论上可达100%，而喇曼奈斯衍射中一级衍射光最大衍射效率仅为34%，所以使用的声光器件一般都采用布拉格衍射。从（22）式和（23）式可看出，通过改变超声波的频率和功率，可实现对激光束方向的控制和对强度的调制，此为声光偏转器和声光调制器的基础。由（18）式可得，超声波光栅衍射会带来频移，所以利用声光效应还可以制做频移器件。超声频移器多用于激光多普勒测速仪中，在计量方面有重要的应用。上述是超声横波对光波的衍射。实际上，超声驻波也有与超声横波相似的衍射，不过衍射光已不是单色光简单地产生频移而是由多个傅立叶分量复合而成。3 声光布拉格衍射实验3.1声光器件的组成声光器件由声光介质和换能器两部分组成，如图4所示。日常用的声光介质有钼酸铅晶体（pm）、氧化碲晶体和熔石英等。换能器即超声波发生器，它是利用压电晶体使电压信号变为超声波，并向声光介质中发射的一种能量变换器。图4 声光器件的组成结构图声光器件又分为两类体声光器件：声波和光波均在介质体内传播，声光相互作用介质和压电换能器常用铟、锡或铝等软金属材料，通过真空冷压焊工艺粘合在一起。表面(或薄膜)声光器件：声波为沿介质表面传播的声表面波，光波则为在平面光波导中传播的导光波。这时，声光介质和压电材料融为一体，衬底材料必须既具有声光效应又具有压电效应。常用的材料有y切铌酸锂，而叉指换能器只需在材料表面蒸镀叉指状电极。3.2声光布拉格衍射的仪器及操作步骤3.2.1实验仪器结构本仪器由可调半导体激光器做光源、声光晶体盒、声光调制电源箱、滑座和旋转平台等组成，如图5所示。各单元的参数指标如下：图5 声光布拉格衍射实验装置图（1.调平底脚；2.导轨；3.滑座；4.四维调整架；5.半导体激光器；6.声光晶体盒；7.旋转平台；8.小孔光阑；9.横向滑座；10.光电探测器）调整激光器的亮度，由激光器发出的光经声光晶体盒调制后微调旋转平台转角，在小孔光阑上将能观察到清晰的0级和+1级衍射光斑。利用游标卡尺可以测出两光斑间距，而右侧的光电探测器可以用于各级光功率值的测量。3.2.2各单元主要技术参数 (1)声光调制器 声光介质：钼酸铅晶体 换能器介质：铌酸锂晶体 通光口径：1mm 中心频率：80mhz 衍射效率：70%(2)激光光源 半导体激光电源(3)激光波长 650nm(4)光功率输出 02.5mw可调(5)交流电源 ac220v22v 50hz(6)环境温度 040 （7）实验系统采取了钼酸铅晶体，它的各项品质因数为m1=15.3，m2=23.7，m3=24.9。3.2.3 实验步骤(1)光路准直打开电源开关，接通激光器电源，旋动电源箱上的激光强度旋钮，保证激光束得到足够的亮度。先将半导体激光器放置在导轨零点处锁定，把小孔光阑拉到激光器附近；调整四维调整架的左和上旋钮，使激光束通过小孔；再把小孔光阑拉远一些，基本是声光调制器放置的位置；旋转四维调整架上的右和下旋钮，使激光束通过小孔；反复调节，使得一定距离内激光束接近是平行光。(2)布拉格角的调节（偏转角的测定）调节激光束的强度，使在相屏中心呈现的光点明晰，此即为调制的0级光斑；打开声光调制电压，此时以80mhz为中心频率的超声波对声光晶体调制；微旋载物平台上声光调制器的转角，可出现因声光调制而出现的衍射光斑；缓慢调节光束对声光调制器的角度，当+1级（-1级）衍射光最强时，声光调制器即运转在布拉格条件下的偏转状态。考虑到人的主观判断带来的误差，在调节布拉格角时可以在看见0级和+1级（-1级)衍射斑的前提下将ld的亮度尽可能调低至+1级（-1级）光斑若隐若现，此时缓慢微调转向旋钮可以明显找到衍射角方位。若ld亮度较强则无法准确找到什么位置+1级（-1级）衍射光最强。（3）衍射效率的测定a. 控制ld的驱动电压，改变声光调制器的驱动电压值u在（2）的前提下将ld的亮度调节至适于观察的状态保持不变，在光电接收器接收表面贴上黑纸做的光阑，只让中间透光。调节光电接收器的横向滑座，改变光电接收器的左右位置，先使0级光斑正好位于接收器的中心，测出0级光斑的光功率值；然后再使+1级（-1级）光斑正好位于接收器的中心，测出+1级（-1级）光斑的光功率值。缓慢旋动电压旋钮重复上述操作，每0.1v记录一组数据。b. 控制声光调制器的驱动电压值u不变，改变ld的驱动电压在（2）的前提下将声光调制器的驱动电压值u调节至适于观察的位置保持不动，缓慢改变ld的驱动电压。余下的操作同a。实验中值得注意的是尽量避免地面桌面光具座的震动；背景光、电压也会对实验现象造成一定的影响应尽量避免；调节过程中必须避免激光直射人眼，以免对眼睛造成危害；调节四维调整架时要轻调，不可用力过大，以免损坏调整架；供电电源应提供保护地线，示波器的地线需与系统良好连接；为防止强激光束长时间照射而导致光敏管疲劳或损坏，调节使用后需要随即用塑盖将光电接收孔盖好；声光晶体易碎要轻拿轻放，若两端面上落灰尘不可用力擦除，若长期不用，晶体要放在干燥器皿内保存；光电探测器是半导体器件应避免强光照射以免烧坏，做实验时光强应由弱到强缓慢改变，当出现饱和时可降低光强；仪器应放到干燥处保存，不宜在潮湿环境中使用。工作环境温度高于28度时连续工作不能超过4小时。3.3实验数据记录及结果分析3.3.1声光偏转中偏转角和超声波声速测量利用游标卡尺在距声光调制器l长度的接收平面上，测量0级与1级光点之间的距离d。选取不同的li，测量相应的di。实验获得的数据如表1所示。表1声光偏转中偏转角和超声波声速测量数据次数声光器件到接收屏的距离l（cm）0级与1级光点之间的距离d(cm)偏转角f(rad)）1200.300.0152300.480.0163400.600.0154500.780.016图6 l-d关系图相应的偏转角为：tanf=d/l由于ld,则上式可近似写成f=d/l。根据表1数据可以作出的li-di关系图，如图6所示。从图中可以看出d和l呈线性关系，直线的斜率近似为偏转角。对li-di采用线性拟合可以得到拟合方程为d=-0.006+(0.01568.4852810-4)l由此可得偏转角为f=0.01568.4852810-4rad将超声波频率fs=80mhz，偏转角f以及激光器波长l=650nm代入vs=fsl/f，得到超声波的声速为vs=3.333103m/s。3.3.2衍射效率（1） 改变声光调制器的驱动电压u，控制ld驱动电压不变保持ld的驱动电压不变，逐级增大声光调制器的驱动电压，分别测出0级衍射光功率p0和1级衍射光功率p1。实验测量结果如表2所示。表2声光调制中衍射效率的数据记录（改变电压值u，控制ld驱动电压不变）电压值u(v)0级光的功率p0(mv)1级光的功率p1(mv)衍射效率hh电压值u(v)0级光的功率p0(mv)1级光的功率p1(mv)衍射效率hh1.051.1450.0590.0521.651.0980.2170.1981.151.1480.0820.0711.751.1290.2500.2211.251.1480.1030.0901.851.1350.2800.2471.351.1150.1320.1181.951.0660.3260.3061.451.1090.1630.1472.051.1270.3570.3171.551.1300.1870.1652.151.0640.3870.364根据表2中的数据作出u和h的关系图，如图7所示。对原始数据点采用线性拟合，得到的拟合直线表达式为h=-0.259+（0.2820.010）u 图7 u和h的关系图拟合的相关系数为0.994，说明了ld的驱动电压u和衍射效率h之间就为线性关系。衍射效率由下式决定由图可以看出u和h近似呈线性关系而按照理论关系式两者是非线性的关系，原因是当为一个无穷小量时，平方后恰为功率的一次函数，参照上面1.2.1可见实验结果与理论相吻合。（2）声光调制器的驱动电压u=2.15v不变，改变ld驱动电压保持声光调制器的驱动电压u=2.15v不变，逐级增大ld的驱动电压，分别测出0级衍射光功率p0和1级衍射光功率p1。实验测量结果如表3所示。表3声光调制中衍射效率的数据记录（电压值u=2.15v，改变ld驱动电压）次数0级光的功率p0(mv)1级光的功率p1(mv)衍射效率hh次数0级光的功率p0(mv)1级光的功率p1(mv)衍射效率hh10.3600.1340.37271.4100.5340.37820.6460.2420.37481.4120.5260.37331.1260.4180.37190.0300.0110.37441.3600.5030.370100.5630.2090.37251.3640.5120.375110.8830.3270.37061.3690.5320.389121.0320.3840.372根据表3中的数据作出p0和p1的关系图，如图8所示。对原始数据点采用线性拟合，得到的拟合直线表达式为p1=-0.00286+p0(0.377880.00439)图8 p0和p1 的关系图拟合的相关系数为0.998，说明了p1和p0之间就为线性关系，衍射效率与ld的驱动电压无关。由发光强度表达式i=dfv/dw和发光效率表达式hv=fv/p（对于同一个发光体hv为一定的）可知：由此可以得到h=37.8%0.4%4 总结本实验需要注意的是光源与声光介质的距离尽可能近些。本文旨在熟悉喇曼纳斯衍射及布拉格衍射的实验条件和特点的基础上，通过对声光器件0级和+1级(-1级)衍射光斑的距离和光功率值的测量，绘制出声光偏转和声光调制曲线，进而求声光衍射效率和衍射偏转角我们可以得出以下结论：（1）0级衍射与+1级（-1级）衍射斑的距离和孔径光阑离激光器的距离近似