实验四 晶体声光效应实验

实验四晶体声光效应实验一、引言当光波通过受到超声波扰动的介质时会发生衍射现象，这种现象被称为声光效应，它是光波与介质中声波相互作用的结果。声光效应可以用于控制激光束的频率、方向和强度，利用声光效应制成的各种声光器件，如声光调制器、声光偏转器和可调谐滤光器等，在激光技术、光信息处理和集成光通信技术等方面有着重要的应用。二、实验目的1.掌握声光效应的原理和实验规律；2.观察喇曼-奈斯（Ranman—Nath）衍射的实验条件和特点；3.利用声光效应测量声波在介质中的传播速度；4.测量声光器件的衍射效率和带宽；5.了解声光效应在新技术中的应用；三、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。有超声波传播的介质如同一个相位光栅。根据超声波频率的高低或声光相互作用长度的长短，可以将光与弹性声波作用产生的衍射分为两种类型，即喇曼—奈斯型衍射和布拉格型衍射。喇曼－奈斯衍射当超声波频率较低、声光相互作用距离较小时，即平面光波沿z轴入射，就相当于通过一个相位光栅，将产生喇曼－奈斯衍射，如图2所示。根据相关理论可以证明以下结论：（1）各级衍射角θ满足下列关系：（1）其中，λ0为入射激光波长，λs为超声波波长，m=0，±1，±2，±3，…。（2）各级衍射光强与入射光强之比为：（2）其中，为m阶贝塞尔函数，。因为，所以零级极值两侧的光强是对称分布的。（3）各级衍射光的频率由于产生了多普勒频移而各不相同，各级衍射光的频率为。2．布拉格衍射当超声波频率较高，声光相互作用距离较大，满足并且光束与声波波面间保持一定的角度入射时，将产生布拉格衍射。这种衍射与晶体对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。布拉格衍射的特点是：（1）理想情况下，只出现零级和＋1级衍射或－1级衍射。（2）若参数合适、超声功率足够大，入射光功率几乎可以全部转换到＋1级或－1级上。（3）产生布拉格衍射的入射角θB满足关系：（3）（4）1级衍射光强与入射光强之比为：（4）3．声光调制：无论是喇曼－奈斯衍射还是布拉格衍射，都可以通过改变超声波的强度而改变衍射光的强度。所以可以把调制信号加在超声波功率放大级，以达到光强调制的目的。4．声光偏转：无论是喇曼－奈斯衍射还是布拉格衍射，都可以通过改变超声波的频率而改变衍射光的偏转方向。若对超声频率固定的超声发生器实现“开关”功能，在“开”时由于产生衍射，+1级或-1级衍射光存在，在“关”时，衍射光不存在，就可实现“声光开关”功能。一般“声光开关”运用的是布拉格衍射。四、实验仪器LOSG-Ⅱ型晶体声光效应实验系统的组成如图1所示，主要包括光路部分和声光效应实验仪两部分。光路部分包括He-Ne激光器，激光器电源，声光器件，精密旋转台，导轨，白屏等；实验仪包括超声波信号源，脉冲方波产生器，光电池、光功率计，脉冲信号解调器等。实验时，需另配频率计和双踪示波器。主要部件的技术指标：1．He-Ne激光器：波长632.8nm，功率2mw。2.声光器件：工作波长633nm，中心频率100MHz±0.5MHz，衍射效率≥40%，脉冲重复频率≥1MHz。3．高频超声信号源：工作频率80—120MHz，输出功率约为700mw；调制脉冲频率≤10KHz，TTL接口；4．脉冲方波产生器：工作频率0.5～2KHz，TTL接口。五、实验步骤1．观察喇曼—奈斯衍射现象按照图1所示安置好有关部件：把激光器、精密旋转台、白屏等一字排列在轨道上，声光器件固定在精密旋转台上；将激光器电源连接到激光器；把声光效应实验仪的超声功率输出用电缆连接到声光器件；“等幅/调幅”开关放在等幅位置，“光功率/解制”开关置于光功率（参看实验仪的面板图）。打开He－Ne激光器电源，调整声光器件在光路中的位置和光的入射角度，使光束穿过声光器件，照射在白屏上。打开声光效应实验仪的电源（注意在未连接声光调制器之前，不能开启电源）仔细调整声光器件在光路中的位置和光的入射角度，调整信号源输出功率至最大（直流电流表指示最大）同时调节信号源输出频率，使光屏上显示的光点最多。出现喇曼－奈斯型衍射，使之达到最佳状态。分别改变信号发生器的功率和频率，观察衍射现象的变化，记录实验现象。2．测量超声波长λS和声速υS如图4所示，测量光屏上0级和一级衍射光点之间的距离a，声光器件与光屏之距离L，计算一级衍射角，，依据（1）式有：（5）其中，He－Ne激光器波长λ0=632.8nm，m=1，代入上式即可求得λs。又因为：（6）式中为超声信号源的频率，可用频率计测量，这样就可求得声速vS。3．测量声光器件的衍射效率在喇曼－奈斯衍射条件下，一级衍射光的效率为：（7）其中，I1为±1级衍射光强，Iλ为入射光强。将光电池插入实验仪的“光电池”插座，将功率计调零；再把光电池置于声光器件前面，让光束对准光电池的入射孔，此时光功率计读数即为入射光强Iλ。然后再将光电池置于白屏前面，光电池入射孔对准一级衍射光点。由光功率计读出一级衍射光强I1。按（7）式计算衍射效率η。4．测量声光器件的带宽和中心频率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,对于其它频率的超声波,其衍射效率将降低，一般认为衍射效率(或衍射光的相对光强)下降3dB(即衍射效率降到最大值的时)两频率的间隔为声光器件的带宽。做这项实验时，将频率计的输入与实验仪的“测频”插座连接，测量超声信号源的频率。调节超声波的频率，用功率计测量各频点对应的一级衍射光强和入射光强。由于一级衍射光点的位置随频率的改变而改变，所以在测试过程中必须相应调整光电池的位置，使其入射孔始终对准一级衍射光。求得衍射效率与超声波频率的关系曲线，定出声光器件的带宽和中心频率。5．观测利用声光效应的信息传输实验将实验仪的“等幅/调幅”开关置于调幅，“功率计/解调”开关置于解调，“调制频率监测”和“解调监测”分别连接双踪示波器的X输入和Y输入。开启实验仪的电源，这样加到声光器件上的信号变成经脉冲方波调制的超声波，经过声光相互作用，传输到接受端。调节“调制频率”并控制“音量”，可由双踪示波器上观测调制频率和解调频率及其变化，并且由仪器内置的扬声器收听变化的音调。注意：信息传输是利用衍射光，所以必须使光电池的入射孔对准一级衍射光。注意事项1．高频超声信号源不得空载，即在开启实验仪电源前，应先将“输出”端与声光器件相连，否则，容易损坏超声信号