光电效应实验报告

1、声光效应【实验目的】理解声光效应的原理，了解Raman-Nath衍射和Bragg衍射的区别。测量声光器件的衍射效率和带宽等参数，加深对概念的理解。测量声光偏转和声光调制曲线。模拟激光通讯。【实验仪器】本实验所用仪器为南京浪博科教仪器研究所的SO2000声光效应试验仪，可完成基本声光效应实验和声光模拟通信实验，如图1和图2.图1声光效应实验安装图图2声光模拟通信实验安装图【实验原理】（一）声光效应的物理本质一一光弹效应介质的光学性质通常用折射率椭球方程描述Pockels效应：介质中存在声场，介质内部就受到应力，发生声应变，从而引起介质光学性质发生变化，这种变化反映在介质光折射率的或者折射率椭球方

2、 程系数的变化上。在一级近似下，有各向同性介质中声纵波的情况，折射率n和光弹系数P都可以看作常量，得1卅)=PS ，n应变S=S0s in (kx-：t)表示在x方向传播的声应变波，So是应变的幅值，k=/Vs是介质中的声波数，门=2二f为角频率，Vs为介质中声速，上二vs/f为声波长。P表示单位应变所应起的(1/n2)的变化，为光弹系数。又得1 3inn 3PS0 si n(kx-；.；t)二si n(kx-：；t)，2n(x)二 n =n = n ;i： _sin(kx - Mt)其中=丄n3PS0是“声致折射率变化”的幅值。考虑如图一的情况，压电2换能器将驱动信号U (t)转换成声信号，

3、入射平面波与声波在介质中(共面) 相遇，当光通过线度为I的声光互作用介质时，其相位改变为：(x)二 n(x)kol 二：0 亠 kol sin(kx -：计)其中k0 =2二/ 0为真空中光波数，0是 真空中的光波长，卞:I = nkl为光通过不存在超声波的介质后的位相滞后，项Ak0l sin(kx-0t )为由于介质中存在超声波图1超声波引起的位相光栅对入射光的衍射而引起的光的附加位相延迟。它在x方向周 期性的变化，犹如光栅一般，故称为位相光 栅。这就使得光的波阵面由原先的平面变为 周期性的位相绉折，改变了光的传播方向， 也就产生了所谓的衍射。与此同时，光强分 布在时间和空间上又做重新分配，

4、也就是衍 射光强受到了声调制（二）声光光偏转和光平移把入射单色平面光波近似看作光子和声子。声光相互作用可以归结为光子和 声子的弹性碰撞，这种碰撞应当遵守动量守恒和能量守恒定律， 前者导致光偏转, 后者导致光频移。这种碰撞存在着两种可能的情况即声子的吸收过程和声子 的受激发射过程，在声子吸收的情况下，每产生一个衍射光子，需要吸收一个声 子。在声子受激发射的情况下，一个入射声子激发一个散射光子和另一个与之具 有相同动量和能量的声子的发射。kd = ki 二 k wfi 二门入射光和衍射光处于相同的偏振状态， 相应的折射率相同，称为正常声光效 应。在正常声光作用情况下，山=g二n，从而K二心二nk0

5、，有弓-d - vB，B称为Bragg角，于是sinOB=丄谢（ Bragg 条件）2 忖 2A 2nVs与描述X光晶格衍射的Bragg定律得对比，入相当于介质中X光波长，A相当于晶格常数，所以人们沿用这一名称，称为Bragg条件。满足Bragg条件是，图2 Bragg 衍射的示意图只有唯一的衍射级，上移或下移，但不同时存在。宽，记作。Y下務此外还存在另一类所谓Rama n-Nath衍射。相当于一个入射光子连续同几个声子相互作用的情形。有kd（m）.mdm)-im1 1上标（m表示m级衍射，m取正，负整数值。同样可近似认为kdmr- kk , 于是有sin /m) = sin r m ARam

6、a n-Nath衍射是多级衍射。从光栅角度来说，Rama n-Nath衍射, 使当超声频率较低，光线平行于声波面入 射时，当光波通过声光介质时，几乎不经 过声波波面，因此它只受到相位调制，声 波的作用可视为一个平面相位光栅。故平 行入射光束通过时，将产生多级衍射光。 而Bragg衍射，是当超声频率较高，声光 作用长度L较大，而且光束与声波面间以 一定角度写入射，光波在介质中要穿过多 个声波面，故介质具有体光栅的性质不能 用平面相位光栅来描述。图3 Raman-Nathy 衍射的示意图（三）衍射效率在Raman-Nath近似下，即其中L为声光互作用长度。第m级衍射光的振幅为m级衍射效率即m级衍射

7、光强同入射光强之比为其中 为入射光振幅， ，为介质中无声场时的介电常数，为声致介电常数变化的幅值。 Bragg衍射效率即1级衍射光强同入射光强之比：其中,声功率注意到的表达式及一中杨氏模量p , LH是压电换能器的面积，故其中p 是物质常数。理论上布喇格衍射的衍射效率可达到100%喇曼-纳斯衍射中一级衍射光的最大衍射效率仅为34%所以实用的声光器件一般都米用布喇格衍射。【实验内容及步骤】认真阅读声光效应说明书，正确连接各个部件。调节激光器和声光晶体至布 喇格衍射最佳位置。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。调出布喇格衍射，对示波器定标。用示波器测量眼社交，先要解决 定

8、标问题。即示波器X方向上的1格等于 CCD器件上多少象元，从而对应 CCD上X方向上的多少距离。在布喇格衍射条件下测量衍射光相对于入射光的偏转角与超声波频率fs的关系曲线，并计算声速V&测量出5组（，fs）值。布喇格衍射下，固定超声波功率，测量 1级衍射光和零级衍射光的相对强度与超声波频率的关系曲线。并定出声光器件的带宽和中心频率。要测量10点以上。测定布喇格衍射下的最大衍射效率I1/I0。其中I。为未发生声光衍射时的零级 光强，h为1级衍射光强度。布喇格衍射下，将超声波频率固定在中心频率上，测量衍射光强度与超声波 功率的关系曲线。在喇曼-纳斯衍射下（光垂直入射），测量衍射角9 m，并与理论值

9、比较。在喇曼-纳斯衍射下，在声光器件的中心频率上测定 1级衍射光的衍射效率， 并与布喇格衍射下的最大衍射效率比较。进行声光模拟通信。观察0级和1级信号的波形，是同相还是反相。改变超 声波功率，注意观察模拟通信接收器的音乐的变化，分析原因。【实验数据及分析】布拉格衍射 实验条件：斜入射；特点：有两条衍射光线，只有 +1 （-1）级和 0级。拉曼纳斯衍射 实验条件：垂直入射；特点：有多条衍射光线。调出布喇格衍射，示波器上一个周期的长度是1.636ms,对应CCD上的宽为29.7mm，定标为 29.7/1.626=18.27mm/msCCD与晶振面的距离为34cm,在布喇格衍射下测量零级和一级衍射光

10、的距离 l随频率的变化，及计算得到的偏转角（弧度制）如下频率（MHz） l(ms)转偏角800.2620.014 1850.2920.01690：0.3160.017950.3280.0181000.3440.0181050.3580.0191100.3720.0201150.3860.021 :1200.40.021画出对应的偏转角与超声波频率的关系曲线如下0 029-耳r.f耳i ii.-40 019-牝oghiy- * bK NO Vi雋0*il河|0 01A-叶kiT jrniotM R-5q.,rtrU747fi-7DO1*却ffl凋1畑i|X SIG|MVskit 和谶1 7371

11、00lardard t1T I1I! I!1-5-M朋 90鉛1OD m110 tis 120fe 电(MHz)在误差允许范围内，偏转角与频率成线性关系，与理论公式一相符合。布喇格衍射下固定功率为68mW，测量示波器上对应0级衍射光和1级衍射 光的电压随频率的变化，并计算相对光强li/lo,数据如下频率MHz0级V1级V相对光强 I1/I0808.946.340.709858.368.841.057907.648.981.175957.469.141.2251008.408.741.0401058.708.120.9331108.847.540.8531159.046.500.719 :120

12、9.144.000.438画出对应的1级衍射光与0级衍射光随超声波频率的关系曲线，如下图959.065-8 07.57.0- 靈 6-5- 去6 0555.0-12Q加辟(MHz)一0级光壷1级光强由图中可以看出，随着超声波频率的增大，0级光强先减小后增大，1级光强先增大后减小。从图中直接看出 1级衍射光强最大对应的频率为 95MHz,即声光器件的中心频率为95MHz1级光强对应电压的极值为9.14V,下降到其时的值为6.463V,对应图中的直线。用软件读出与1级光强曲线的两个交点为未发生衍射时的光强对应的电压为 衍射效率，数据如下l=9.26V,根据5中的一级光强的数据计算(80,6.463

13、)和( 115,4.463)，所以声光器件的带宽为 35MHz。频率MHz1级V衍射效率806.340.685858.840.955:908.980.970959.140.9871008.740.9441058.120.8771107.540.8141156.500.7021204.000.432从上面数据可以看出，布喇格最大的衍射效率为98.7%。布喇格衍射下，将超声波固定在中心频率95MHz，测量衍射光强度随超声波功率的变化，数据如下0 级(V)1 级(V)(mW)209.240.38289.241.22369.242.48449.245.04529.226.96609.228.16689

14、.088.08769.009.20画出相应的曲线20263035 455 55 M M 70 75 帥功军(mA)从上图可以看出，在中心频率下，随着超声波功率的增大，0级衍射光强度微弱减小，1级衍射光强度增大且速度较快。与理论（4-2-19）相符合。在喇曼-纳斯衍射下，测量零级与正负一级的距离，数据如下0与+10与-1示波器距离ms0.3250.310偏转角0.00870.0083偏转角理论值0.00750.0075相对误差%0.15680.1034理论值为一一，其中fs=100MHz因为角度较小，故有在中心频率95MHz,喇曼-纳斯衍射下，未发生衍射的光强Io,衍射零级光强Io,衍射正负一级

15、光强Ii （相等）分别对应的电压，及衍射效率如下IoIoI1电压V9.128.960.68衍射效率l/lo0.9825 :0.0746 :正负一级的衍射效率为7.46%，而布喇格最大的衍射效率为 98.7%,明显布 喇格的最大衍射效率远远大于喇曼-纳斯衍射。10.进行声光模拟通信实验，观测 0级和1级信号的波形，发现0级同相，1级 反相。改变超声波功率，功率越大，接收端信号幅值越大，声音越大，发送 端音量与幅值不变。【思考题】为什么说声光器件相当于相位光栅？答：压电换能器将驱动信号转换为声信号， 入射平面波与声波在声光介质中（共 面）相遇，当光通过线度为I的声光作用介质是，其位相改变为其中为光

16、通过不存在超声波的介质后的位相滞后，项为介质中存在超声波而引起的光的附加位相延迟。它在 x方向周期性地变化，犹 如光栅一般，故称“相位光栅”。声光器件在什么实验条件下产生喇曼-纳斯衍射？在什么实验条件下产生布 喇格衍射？两种衍射的现象各有什么特点？答：（1）喇曼纳斯衍射实验条件：超声波频率较低，光束垂直于声波传输方向。特点：平行光通过光栅时产生多级衍射，且各级衍射极值对称地分布在零 级极值两侧，其强度依次递减。1级衍射光强较Bragg衍射光强弱，即衍 射效率较低。（2）布拉格衍射实验条件：超声波频率较高声光作用长度较大， 而且光波与声波波面间以一 定角度斜入射。特点：只出现0级，+1级或-1级衍射光，且+1级和-1级不能同时出现。如 果合理选择参数，超声光栅又足够强，可使入