2023年声光效应物理实验报告

声光效应实验研究

介质中传播的超声波会导致介质的局部压缩和伸长。由于

弹性应变而使介质的折射率或介电常数发生改变，当光通过

介质时就会发生衍射现象，称之为声光效应。由于声光效应,

衍射光的强度、频率、方向等都随着超声波场而变化。其中

衍射光偏转角随超声波频率变化的现象称为声光偏转；衍射

光强度随超声波功率变化的现象称为声光调制。

早在19世纪30年代就开始了声光衍射的实验研究。60

年代激光器的问世为声光现象的研究提供了抱负的光源，促

进了声光效应理论和应用研究的迅速发展。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。运用声

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、光信号解决和集成光通讯技术

等方面有着重要的应用。

【实验目的】

1.了解声光互相作用的原理。

2.了解喇曼-纳斯衍射和布喇格衍射的实验条件和特点。

3.通过对声光器件衍射效率、中心频率和带宽的测量加深

对其概念的理解

4.测量声光偏转和声光调制曲线。

【实验仪器】

S02023声光效应实验仪

【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

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。有超声波传播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。在各项同

图1声光衍射

作用理论，可建立起声-光互相作用的统一

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。本实验只涉及到各项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y方向传播的平面纵波，其

角频率为①s，波长为4波矢为气。入射光为沿%方向传播的平面

波，其角频率为G，在介质中的波长为几波矢为鼠介质内的

弹性应变也以行波形式随声波一起传播。由于光速大约是声

速的1倍，在光波通过的时间内介质在空间上的周期变化

可当作是固定的。

由于应变而引起的介质的折射率的变化由下式决定

n

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。当声波在各项同性介质中传播时,P和S可作

为标量解决，如前所述，应变也以行波形式传播，所以可写

成

s=s()^s]n(wst-kxy)

当应变较小时,折射率作为y和t的函数可写作

n(y.t)=n0+Ansin(wst-ksy)

式中，为无超声波时的介质的折射率，△〃为声波折射

率变化的幅值，由(1)式可求出

设光束垂直入射伏，"，并通过厚度为L的介质，则前后

两点的相位差为

△①==△60+dil>sin(叫才一七y)

式中，如为入射光在真空中的波矢的大小，右边第一项△

⑦0为不存在超声波时光波在介质前后两点的相位差，第二项

为超声波引起的附加相位差(相位调制),9=40△林。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

波的波振面变为周期变化的皱折波面,从而改变出射光的传

播特性，使光产生衍射。

设入射面上X=一的光振动为A为一常数,也

可以是复数。考虑到在出射面x=L/2上各点相位的改变和

调制，在xy平面内离出射面很远一点的衍射光叠加结果为

b

E=Ceivvt/郊sin(A/-vvJ)e-及oysin

2

式中，。为光束宽度,。为衍射角，。为与/有关的常数，为

了简朴可取为实数。分析可知与第加级衍射有关的项为

E=E/（WFWJ）

Eo=CbJn（3）sin.此T。sin。）/2]

°m伏〃,―从sin，）/2

由于函数在*=0取极大值，因此有衍射极大的方位

角如由下式决定：

sin0=m=m

nik。A,

式中,％为真空中光的波长，4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称

于一光栅常数为超声波长的光栅。由（7）式可知，第加级衍

射光的频率叼〃为

wtn=w-mwv

可见,衍射光仍然是单色光，但发生了频移。由于

这种频移是很小的。

第m级衍射极大的强度可用（7）式模数平方表达：

22

im=Eor=cbj^）=

式中,E*Q为号的共辄复数，10=C2从

第加级衍射极大的衍射效率心定义为第根级衍射光的强度

与入射光的强度之比。由（ID式可知,心正比于/机您⑦）。当

机为整数时，J_m（«）=（-l）"，〃（a）。由⑼式和（11）式表

白，各级衍射光相对于零级对称分布。

当光束斜入射时，假如声光作用的距离满足£<不〃几则各

级衍射极大的方位角%由下式决定

sinOtn=sini+m

式中i为入射光波矢攵与超声波波面的夹角。上述的超声衍

射称为喇曼-纳斯衍射，相称于一个入射光子连续同几个声

子互相作用的情形，因此喇曼一纳斯衍射是多极衍射。有超

声波存在的介质起一平面位光栅的作用。

当声光作用的距离满足

L>2才$〃，并且光束相对于超

声波波面以某一角度斜入射

时，在抱负情况下除了。级之外,

只出现唯一的衍射级，+1级或-1级衍射。如图2所示。这种衍

射与晶体对X光的布喇格衍射很类似，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

存在的介质起体积光栅的作用。

可以证明，布喇格角满足sinze=A

上式称为布拉格条件。

实验仪器介绍

一套完整的SO2023声光效应实验仪配有：已安装在转角

平台上的100MHz声光器件、半导体激光器、100MHz功率信

号源、LM601CCD光强分布测量仪及光具座。

1.声光器件

声光器件的结构示意如图3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中的声光介质为铝酸铅，吸声材料

的作用是吸取通过介质传播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，也可达成吸声的作

用。压电换能器又称超声换能器，由妮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

抗与信号源的内阻应当匹配。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,记为乙。对于

其它频率的超声波，其衍射效率将减少。规定衍射效率（或

衍射光的相对光强）下降3外（即衍射效率降到最大值的12）

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塑料盒内，置于转交平台上。盒

上有一插座，用于和功率信号源的声光插座相连。透明塑料

盒两端各开一个小孔，激光分别从这两个小孔射入和射出声

光器件，不用时用贴纸封住以保护声光器件。旋转转交平台

的旋转手轮可以转动转交平台，从而改变激光射入声光器件

的角度。

2.功率信号源

S02023功率信号源专为声光效应实验配套，输出频率范

围为80~120MHz,最大输出功率为1W。

3.CCD光强分布测量仪：

其核心是线阵CCD器件。CCD器件是一种可以电扫描的光

电二级管列阵，有面阵（二维）和线阵（一维）之分。LM601

/501CCD光强仪所用的是线阵CCD器件，机壳尺寸为150

mmX100mmX50mm,CCD器件的光敏面至光强仪前面板距离

为4.5mmo

4.USB100计算机数据采集盒：

用USB接口与计算机相连，同时以DB15插座通过电缆线

与LM601/501CCD光强仪后面板上的DB9插座相连。采集盒

上有一个12位的A/D转换器,也就是说可以把CCD器件上每

一个光敏单元上的光强信号提成4096个灰度等级。空间分

辨率与所使用CCD光强仪的型号有关。

5.模拟通信收发器

模拟通信收发器由三件仪器组成：模拟通信发送器、模拟

通信接受器和光电池盒。

6.半导体激光器

半导体激光器输出光强稳定,功率可调,寿命长。在后面板

上有一只调节激光强度的电位器,在盒顶和盒侧各有一只做

X-Y方向微调的手轮。

7.光具座

0.8m长，配三只马鞍座,其中一只可横向移动,一般用于安

顿CCD光强仪或光电池盒用。S02023的各部件的底端都有

螺口用以旋入直径为10mm的立杆，拧紧后插入各马鞍座

里，旋紧马鞍座的立杆旋钮，在将马鞍座置于光具座上，待

各部件位置调好后，旋紧马鞍座侧面的旋钮即可完毕固定。

8.频率计

采用VC2023智能频率计,量程为10Hz〜2.4GHz。

【实验内容】

1.开机预热10分钟；

2.观测喇曼一纳斯衍射和布拉格衍射，比较两种衍射的

实验条件和特点；

3.调出布喇格衍射，用示波器测量衍射角，先要解决“定

标”的问题，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。

用微机测量衍射角，则只需在软件上直接读出X方向上的距

离（ch值）和光强度值（A/D值）。

4.布拉格衍射下测量衍射光相称于入射光的偏转角①与

超声波频率（即电信号频率）fs的关系曲线，并计算声速vs。

测出6—8组（①，fs）值，在课堂上用计算器作直线拟合求

出①和fs的相关系数。课后做①和fs的关系曲线。注意式

（13）和（14）中布拉格角iB和偏转角中都是指介质内的角

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=2.386o由于声光器件的参数不也许达成理论值，实

验中布拉格衍射不是抱负的，也许会出现高级次衍射光等现

象。调节布拉格衍射时，使1级衍射光最强即可。

0级

0级

光与1级10

实验次光与1级Lfs(

光的偏Vs级光级光高

数光的偏转（mm）MHZ)

-Q-nFriht

转距离iWj度度

格数

(mm)

1

1.4.9340813.

7.00587.1

0092.00.01465.009.0050

7

2.05.340.90.15617

7.50

0352.000156008.499.00.00

3.7.95.6340.915719.

00032.0001655.001.809.5000

4.8.205.8340.10114.

0042.0001710.00594.002.1000

5.8.86.2340.10515561.

00072.000183.009.58.4080