环境版内容多而杂难以声光效应实验

1、1【实验名称】声光效应实验【实验目的】1、了解声光效应的原理。2、了解射的实验条件和特点。3、通过对声光器件衍射效率和带宽等的测量，加深对其概念的理解。4、测量声光偏转和声光调制曲线。【实验原理】当超声波在介质中时，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。有超声波着的介质如同一个相位光栅。声光效应有正常声光效应和反常声光效应之分。在各向同性介质中，声-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-光相互作用可能导致入射光偏振状态的变化，产生反常声光效应。

2、反常声光效应是制造高性能声光偏转器和可调滤光器的物理基础。正常声光效应可用喇曼-的光栅假设作出解释，而反常声y光效应不能用光栅假设作出说明。在非线性光学中，利用参量相互作用理论，可建立起声-光相互作用的理论，并且运用动量匹配和失配等概念对正常和反常声光效应都可作出解释。本实验只涉及到各向同性介质中的正常声光效应。设声光介质中的超声行波是沿方向的平面纵波，其角频率为 ws，波长为s，ks。入射光为沿方向的平面波，其角频率为 w，在介质中的波长为 L 2，k。介质内的弹性应变也以行波形式随声波一起。由于光速大约是声波的 105 倍，在光波通过的时间内介质在空间上的周期变化可看成是固定的。由于应变而

3、引起的介质折射率的变化由下式决定：图 1：声光衍射1n ()PS（1）n 2式中，n 为介质折射率，S 为应变，P 为光弹系数。通常，P 和 S 为二阶张量。当声波在各向同性介质中成时，P 和 S 可作为标量处理，如前所述，应变也以行波形式，所以可写S S0 sinst ks y（2） 1 L 21当应变较小时，折射率作为 y 和 t 的函数可写作ny, t n0 n sin st ks y（3）n 1 n3 PS02式中，n0 为无超声波时的介质折射率，n 为声波折射率变化的幅值，由（1）式可求出设光束垂射（kkS）并通过厚度为 L 的介质，则前后两点的相位差为 k0 n0 L k0 nL

4、sin st ks y k0 ny, t L（4） sin t k y0ss式中，k0 为入射光在真空中的的大小，右边第一项0 为不存在超声波时光波在介质前后二点的相位差，第二项为超声波引起的附加相位差（相位调制），= k0nL 。可见，当平面光波入射在介质的前界面上时，超声波使出射光波的波阵面变为周期变化的皱折波面，从而改变了出射光的特征，使光产生衍射。L2设入射面上 x i t的光振动为 Ei =Ae，A 为一常数，也可以是复数。考虑到在出射L2面 x 果为上各点相位的改变和调制，在 xy 平面内离出射面很远一点处的衍射光叠加结b2e i t k 0 n y ,t L k 0 y sin

5、dyE Ab2写成一等式时，b2 ei sin ks y st e ik0 y sin dyE Ce it(5)b2式中，b 为光束宽度，为衍射角，C 为与 A 有关的常数，为了简单可取为实数。利用一与函数有关的恒等式Ja e im m m e ia sin 式中 Jm()为（第一类）m 阶函数，将（5）式展开并积分得 e i m s tm sin b mk s k 0 sin B / 2 b mk s k 0 sin / 2E Cb上式中与第 m 级衍射有关的项为J（6）m )7(i mE E etsm 0E CbJmk k sin sin b / 2 s 0 b mk s k 0 sin

6、/ 20m(8) 2 1因为函数 sin/在= 0 时取极大值，因此有衍射极大的方位角m 由下式决定：0 （9）sin m ks msmk0式中，0 为真空中光的波长，S 为介质中超声波的波长。与一般的光栅方程相比可知，超声波引起的有应变的介质相当于一光栅常数为超声波长的光栅。由（7）式可知，第 m 级衍射光的频率 wm 为wm= w-mws(10)可见，衍射光仍然是单色光，但发生了频移。由于 wws ,这种频移是很小的。第m 级衍射极大的强度 Im 可用（7）式模数平方表示：)I E E I J (*2 2 22C b J (11)m0 0m0 m式中，E*0为E0 的共轭复数，I0=C2b

7、2。第m 级衍射极大的衍射效率m 定义为第m 级衍射光的强度与入射光强度之比。由（11）2m式可知，m 正比于 J m() 。当 m 为整数时，J-m（）=（-1） Jm（）。由（9）式和（11）式表明，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满足 L22，则各级衍射极大的方位角Sm 由下式决定0 ssin sin i m（12）m式中 i 为入射光k 与超声波波面之间的夹角。上述的超声衍射称为喇曼-衍射，有超声波存在的介质起一平面相位光栅的作用。YY+1 级0 级XX0 级-1 级图 2射当声光作用的距离满足L2 2，而且光束相对于超声波波面以某一角度斜入射时，S在理

8、想情况下除了 0 级之外，只出现 1 级或者-1 级衍射。如图 2 所示。这种衍射与晶体对 3 KSSiB=iBKS=iBiBS1X 光的射很类似，故称为射。能产生这种衍射的光束入射角称为角。此时的有超声波存在的介质起体积光栅的作用。可以证明，角满足：sin iB 2S（13）角一般都很小，故衍射光相对于入射光的偏转角式中（13）称为为条件。因为 0 2 i f Sn SBs（14）射的情况下，式中，S 为超声波波速，fS 为超声波频率，其它量的意义同前。在一级衍射光的衍射效率为 sin2M LP （15）2 S 02 H式中，PS 为超声波功率，L 和 H 为超声换能器的长和宽，M2 为反映

9、声光介质本身性质的一6 2常数，M = n P /，为介质密度，P 为光弹系数。在射下，衍射光的频率也由（10）2S式决定。理论上射的衍射效率可达到 100%，喇曼-衍射中一级衍射光的最大衍射射。效率仅为 34%，所以实用的声光器件一般都采用由（14）式和（15）式可看出，通过改变超声波的频率和功率，可分别实现对激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（10）式可知，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，如用于激光测速仪等。以上斯衍射和的是超声行波对光波的衍射。实际上，超声驻波对光波的衍射也产生喇曼-纳射，而且各

10、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，各级衍射光不再是简单地产生频移的单色光，而是含有多个【实验装置及安装使用】（一）实验装置一套完整的SO2000 声光效应实验仪配有：已安装在转角分量的复合光。上的 100MHz 声光器件、半导体激光器、100MHz 功率信号源、LM601 CCD 光强分布测量仪及光具座。每个器件都带有 10 的立杆，可以安插在通用光具座上。1 声光器件声光器件的结构示意图如图 3 所示。它由声光介质、压电换能器和吸声材料组成。转角吸声材料声光器 旋转手轮声波前进方向转角声光介质光波前进方压电换能器图 3声光器件的结构图 4转角 4 1本实验采用的声光器件

11、中的声光介质为钼酸铅，吸声材料的作用是吸收通过介质到端面的超声波以建立超声行波。将介质的端面磨成斜面或成牛角状，也可达到吸声的作用。压电换能器又称超声发生器，酸锂晶体或其它压电材料制成。它的作用是将电功率换成声功率，并在声光介质中建立起超声场。压电换能器既是一个机械振动系统，又是一个与功率信号源相联系的电振动系统，或者说是功率信号源的负载。为了获得最佳的电声能量转换效率，换能器的阻抗与信号源内阻应当匹配。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 fc 。对于其它频率的超声波，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

12、 1/ 2 ）时两频率间的间隔为声光器件的带宽。声光器件安装在一个透明盒内，置于转角上，见图 4。盒上有一插座，用于和功率信号源的声光插座相连。透明盒两端各开一个小孔，激光分别从这两个孔射入和射出声光器件，不用时用贴纸封住以保护声光器件。旋转转角台，从而改变激光射入声光器件的角度。2 功率信号源的旋转手轮可以转动转角平SO2000 功率信号源专为声光效应实验配套，输出频率范围为 80120MHz,最大输出功率 1W。面板上的各输入/输出信号和表头含义如下：等幅/调幅：做基本的声光衍射实验时，要打在“等幅”位置，否则信号源无输出；通信实验时，要打在“调幅”位置。拟调制：输入信号插座。等幅/调幅开

13、关处于“调幅”位置时，此位置接上“模拟通信发送器”，从“调制”端口输入一个TTL电平的数字信号，就可以对声功率进行幅度调制,频率范围020KHz。调制波的解调可用光电池加放大电路组成的“光电池盒”来实现。具体方法是，移去CCD光强分布测量仪，安置上“光电池盒”，“光电池盒”再与“模拟通收器”相连。将 1 级衍射光对准“光电池盒”上的小孔，适当调节半导体激光器的功率，就可以用喇叭或示波器还原调制波的信号，进行模拟通信实验。模拟通信收发器的介绍见下文。声光：输出信号插座。用于连接声光器件，将功率信号源的电信号传入声光器件，经压电换能器转换为声波后注入声光介质。测频：输出信号插座。接频率计，用于测量

14、功率信号源输出信号的频率。频率旋钮：用于改变功率信号源的输出信号的频率，可调范围 80120MHz。逆时针到底是 80MHz，顺时针到底是 120MHz。功率旋钮：用于调节功率信号源的输出功率，逆时针减小，顺时针变大。面板上的毫安表读数作功率指示用，读数值10 约等于功率毫瓦数。*使用时，为保证声光器件的安全，不要长时间处于功率最大位置！3 LM601 CCD 光强分布测量仪用线阵 CCD 光强分布测量仪而不是用单个光电池来作光电的好处是：可以在同一时刻实时地显示、测量各级衍射光的相对强度分布，不受光源强度跳变、漂移的影响。在衍射角的测量上也有很高的精度。除在示波器上测量外，也可用计算机来处理

15、实验数据（需增购一块 CCD卡）。CCD 器件是一种可以电扫描的光电二极管列阵，有面阵（二维）和线阵（一维）之分。 5 1LM601 CCD 光强仪所用的是线阵 CCD 器件，参数见下表。LM601 CCD 光强仪机壳尺寸为 150mm100mm50mm，CCD 器件的光敏面至光强仪前面板距离为 4.5mm。LM601 光强仪后面板各插孔含义如下，电路结构框图见图 5，波形图见图 6：“示波器/微机”：当光强仪配接的是 CCD 数显示波器或通用示波器时，将此开关打在“示波器”位置，“同步”脉冲频率为 50Hz；当配接的是按装有 CCD卡的微机系统时，把开关打在“微机”位置，“同步”脉冲频率为

16、15Hz，“采样”脉冲频率为 1015KHz 左右。“信号”：CCD 器件接受的空间光强分布信号的模拟电压输出端，送往示波器的测量信号通道；送往微机时，接电缆线的红色插头。“同步”：启动 CCD 器件扫描的触发脉冲，“同步”的含意是“同步扫描”，主要供示波器 X轴外同步触发和卡同步用；送往微机时，接电缆线的黄色插头。“采样”：每一个脉冲对应于一个光电二极管，脉冲的前沿时刻表示外接设备可以光电管的光电压值，“采样”信号是供 CCD卡“采样”同步和供 SB14 CCD数显示波器作 X 位置计数。此脉冲也可作为几何形状测量时的计数脉冲。接通用示波器时此信号空置；接微机时，接电缆线的蓝色插头。220v

17、稳压电源信号（输出，红）信号放大处理衍射光同步（扫描，黄）采样（同步，蓝）示波器/微机（转换）单片机系统图 5LM601 CCD 光强仪电路结构框图 6 CCD器 件光敏元数光敏元尺寸光敏元中心距光敏元线阵有效长光谱响应范围光谱响应峰值2592 个1111m11m28.67mm0.350.9m0.56m120ms5v同步0v信号 401 : 102414m501 : 204814m601 : 259211m801 : 53607m信号光强（扫描基线）5v采样声光偏转测量声光调制测量光强仪波形If0 级,1 级,2 级Pa0级图 7 示波器上的实验波形及描绘出的曲线在光强仪面板前设有一个可旋转的

18、减光器，其作用是防止 CCD 器件受到过强的衍射光照射而饱和。饱和的表现为在示波器上没有信号波形或波形曲线顶端有“削头”现象。使用时，先旋转减光器，能看清 CCD 器件上的一条白线（光敏元线阵），调整相应，使衍射光能照到这条白线上，然后旋转减光器，或调节半导体激光器的功率，使在示波器上有一个较满意的波形。 7 信号光强fl - fHI1I0 I20环境光强14 模拟通信收发器（选购件，如未购，则此部分可略过不看）模拟通信收发器由三件仪器组成：模拟通信发送器、模拟通a) 模拟通信发送器的各接口及开关描述如下:收器和光电池盒。调制：输出信号插座。当功率信号源的等幅/调幅开关处于“调幅”位置时（即拟

19、通信实验时），此位置接上功率信号源的调制插座，即向功率信号源输出TTL电平的数字调制信号用于对声功率进行幅度调制。示波器：如果要在双踪示波器上对比观察本模拟通信实验中发送和接收到的音乐TTL电平的数字信号,则此插座接示波器的一路通道，并作为触发信号；模拟通接示波器的另一路通道。收器的示波器插座喇叭开关：用于选择是否发送器送出的音乐TTL信号。选曲开关：发送器可以送出的音乐TTL信号有两首乐曲，用此开关选择。b) 模拟通收器的各接口描述如下：光电池：接光电池盒。示波器：如果要在双踪示波器上对比观察本模拟通信实验中发送和接收到的音乐TTL电平的数字信号,则此插座接示波器的一路通道；模拟通信发送器的

20、示波器插座接示波器的另一路通道，并作为触发信号。音量旋钮：调节模拟通c) 光电池盒收器还原出来的音乐TTL信号的音量大小。取代LM601 CCD光强分布测量仪，与模拟通收器的光电池插座连接并向模拟通收器传送接收到的带调制信号的衍射光信号。5 半导体激光器半导体激光器输出光强稳定，功率可调，位器，在盒顶和盒侧各有一只做 X-Y 方向微调6光具座长。在后面板上有一只调节激光强度的电轮。性能参数见激光器外壳上的铭牌。0.8M 长，配 3 只马鞍座，其中一只可横向移动，一般用于安置 CCD 光强仪或光电池盒用。SO2000 的各的底端都有螺口用以旋入直径为 10mm 的立杆，拧紧后各马鞍座里，旋紧马鞍

21、座的立杆旋钮，再将马鞍座置于光具座上，待各座侧面的旋钮即可完成固定。7示波器和频率计位置调节好后，旋紧马鞍声光效应实验只需一台单踪示波器即可，而模拟通信实验需要一台双踪示波器。频率计的量程需大于 150MHz。（二）安装和使用SO2000 声光效应实验仪可完成基本声光效应实验和在此基础上的声光模拟通信实验，这两种实验的安装、连线分别介绍如下。 8 11声光效应实验声光功率信号XY偏振减光器频 率信号同步转角激光器光强分布测量仪声光功率信号图 8 声光效应实验安装图安装图如图 8 所示。本实验中需用到下列电线或电缆：（1）光强分布测量仪到示波器：同型号 2 根，每根一头为 3 插头，接光强分布测

22、量仪；一头为 Q9 插头，接示波器。这两根线中，一根连接光强分布测量仪的“信号”和示波器的测量输入通道，另一根连接光强分布测量仪的“同步”和示波器的外触发同步通道。（2）功率信号源到转角上的声光器件：1 根。其一头为 Q9 插头，连接声光器件，一头为莲花插头，连接功率信号源的“声光”插座，此时，功率信号源要打在“等幅”上；当使用模拟通信收发器时，要打在“调幅”上。使用过程如下：（1）完成安装后，开启除功率信号源之外的各的电源；（2）仔细调节光路，使半导体激光器射出的光束准确地由声光器件外穿过声光介质、由另一端的小孔射出，再透过偏振减光器，照射到 CCD衍射尚未产生（声光器件尽量靠近激光器）；盒

23、的小孔射入、窗口上，这时（3）用示波器测量时，将光强仪的“信号”插孔接至示波器的 Y 轴，电压档置 0.11V/格档，扫描频率一般置 2ms/格档；光强仪的“同步” 插孔接至示波器的外触发端口，极性为“+”。适当调节“触发电平”，在示波器上可以看到一个稳定的类似图 4 所示的单峰波形；用计算机测量时，将 CCD卡计算机的 ISA 扩展槽内，并用电缆线将卡与 CCD光强仪连接起来，启动与卡配套的工作即可、处理实验波形和数据； 9 示 波1（4）如在示波器顶端只有一直线而看不到波形，这是 CCD 器件已饱和所致。可试着减弱环境光强、减小激光器的输出功率、转动 CCD 光强仪上的偏振减光器，问题就以

24、解决；如果在示波器上看到的波形不怎么光滑，有“毛刺”，大多是由 CCD 光强分布测量仪上附加的“偏振减光器”引起的，或是偏振膜介质不均匀，或是落有灰尘。可通过转动活动马鞍座侧面的旋钮来移动 CCD 光强分布测量仪或改变光束的照射位置来解决这个问题；得到满意的波形后，打开功率信号源的电源；（7）微调转角旋钮，改变激光束的入射角，可获得件是为射或喇曼-衍射。本实验的声光器射条件设计制造的，并不满足喇曼-衍射条件。条件，最好另配一套中心频率为 10MHz 左右的声光器件和功率信号源，专门研究图 9射的 0 级光和 1 级光喇曼-衍射。这里为降低成本，本实验只对喇曼衍射作定性观察；（8）实际调节时，可

25、在 CCD窗口；窗口前置一白纸，在纸上看到正确的图形后再让它射入（9）在射条件下，将功率信号源的功率旋钮置于中间值，固定，旋转频率旋钮而改变信号频率，0 级光与 1 级光之间的衍射角随信号频率的变化而变化。这是声光偏转；（10）在射条件下，固定频率旋钮，旋转功率旋钮而改变信号的强度，0 级光与 1级光的强度分布也随之而变，这是声光调制；射的示波器实例如图 7 所示；为了获得理想波形，有时须反复调节激光束、声光器件、CCD 光强分布测量仪等之间的几何关系与激光器的功率；具体实验步骤参见实验讲义。2 声光模拟通信实验声光功率信号源光电池盒转角激光器模拟通 收模拟通信发送 XY图10 模拟通信实验安

26、装安装图如图 10 所示。 10 示波器1本实验中需用到下列电线或电缆：（1）功率信号源和转角上的声光器件：1 根。其一头为 Q9 插头，连接声光器件，一头为莲花插头，连接功率信号源的“声光”插座，此时，功率信号源要打在“调幅”上。当做声光效应实验时，要打在“等幅”上；（2）功率信号源和模拟通信发送器：1 根。其一头为Q9 插头，接模拟通信发送器的调 制插孔，另一头为Q9 插头，连接功率信号源的调制插座；（3） 摸拟通信发送器和示波器：1 根。其一头为 Q9 插头，接模拟通信发送器的示波器插座，另一头为 Q9 插头，接示波器的 Y1 和以 Y1 为同步（Y1 置 1v/格档）；（4）模拟通光电

27、池插座；（5）模拟通收器和光电池盒：由光电池盒引出一个莲花插头，接模拟通收器的收器和示波器：1 根。其一头为Q9 插头，接模拟通收器的示波器插座，一头为Q9 插头，接示波器的Y2 输入信号端口（Y2 置 0.1v 0.5v/格档）；使用过程如下：（1）完成安装后，开启各的电源；功率信号源的输出功率不要太大；（2）仔细调节光路，使半导体激光器射出的光束准确地由声光器件外盒的小孔射入、射，并将 1穿过声光介质、由另一端的小孔射出，仔细调节转角级衍射光射入光电池盒的接收圆孔；旋钮，满足（3） 模拟通信发送器的喇叭开关打在“关”上，以避免它对模拟通收器还原出的音乐的干扰。此时，模拟通收器的扬声器应送出

28、模拟通信发送器的音乐；在示波器上应观察到信号波形相一致或相反；（4）具体实验步骤参见实验讲义。【实验步骤】由于 SO2000 声光效应实验仪采用的中心频率高达 100MHz 的声光器件，而喇曼-衍射发生的条件是声频较低、声波与光波作用长度比较小，因此，本实验主要围绕射展开，对于喇曼-衍射仅作观察等一般研究。1 展开仪器，按前所述完成声光效应实验的安装；2 调出射，对示波器定标：用示波器测量衍射角，先要解决“定标”，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 方向上的多少距离。方法是调节示波器的“时基”档及“微调”，使信号波形一帧正

29、好对应于示波器上的某个刻度数。以图 7 为例，波形一帧正好对应于示波器上的 8 格，则每格对应实际空间距离为 2592 个像元8 格11m = 3564m = 3.564 mm，每小格对应实际空间距离为3.564 mm5 = 0.7128 mm，0 级光与1 级光的偏转距离为 0.7128mm 12.5 小格 = 8.91 mm。也可以采用计算机和 CCD 多道光强分布测量。 11 13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）fs 的关系曲线，并计算声速s（注意 fs 一般取 80110MHz）。测出 68 组（，fs）值，在课堂上用计算器作直线拟合求出和 fs 的相关系

30、数。课后作和 fs 的关系曲线。注意式（13）和（14）中的角 iB 和偏转角都是指介质内的角度，而直接测出的角度是空气中的角度，应进行换算, 声光器件 n = 2.386。由于声光器件的参数不可能达到理论值，实验中射不是理想的，可能会出现高级次衍射光等现象。调节射时，使 1 级衍射光最强即可。表中D 为 0 级光与 1 级光的偏转距离。L 是声光介质的光出射面到 CCD 线阵光敏面的距离，注意了加上 CCD 器件光敏面至光强仪前面板的距离 4.5mm；s 的计算见式（14）。请参见图 5 中左边的波形和关系曲线，即声光偏转测量，其波形是用多点法获得的。4 固定超声波功率，并记下功率值 Ps。（1） 测量 1 级衍射光相对于 0 级衍射光的衍射效率与超声波频率 fs 的关系曲线（或I1 与 fs 的关系曲线）