大学物理声光效应讲义

声光效应实验早在本世纪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良好的光源，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。利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、光信号处理和集成光通讯技术等方面有着重要应用。声光效应已广泛应用于声学、光学和光电子学。近年来，随着声光技术的不断发展，人们已广泛地开始采用声光器件在激光腔内进行锁膜或作为连续器件的Q开关。由于声光器件具有输入电压低驱动功率小、温度稳定性好、能承受较大光功率、光学系统简单、响应时间快、控制方便等优点，加之新一代的优质声光材料的发现，使声光器件具有良好的发展前景，它将不断地满足工业、科学、军事等方面的需求。一.实验目的1、了解声光相互作用原理。2、观察布拉格衍射现象。3、研究声光调制和声光偏转的特性。二.实验仪器声光晶体、功率信号源、频率计、半导体激光器、示波器、CCD。三.实验原理若有一超声波通过某种均匀介质，介质材料在外力作用下发生形变，分子间因相互作用力发生改变而产生相对位移，将引起介质内部密度的起伏或周期性变化，密度大的地方折射率大，密度小的地方折射率小，即介质折射率发生周期性改变。这种由于外力作用而引起折射率变化的现象称为弹光效应。弹光效应存在于一切物态。如上所述，当声波通过介质传播时，介质就会产生和声波信号相应的、随时间和空间周期性变化。这部分受扰动的介质等效为一个“相位光栅”。其光栅常数就是声波波长λs，这种光栅称为超声光栅。声波在介质中传播时，有行波和驻波两种形式。特点是行波形成的超声光栅的栅面在空间是移动的，而驻波场形成的超声光栅的栅面是驻立不动的。当超声波传播到声光晶体时，它由一端传向另一端。到达另一端时，如果遇到吸声物质，超声波将被吸声物质吸收，而在声光晶体中形成行波。由于机械波的压缩和伸长作用，则在声光晶体中形成行波式的疏密相间的构造，也就是行波形式的光栅。当超声波传播到声光晶体时，它由一端传向另一端。如果遇见反声物质，超声波将被反声物质反射，在返回途中和入射波叠加而在声光晶体中形成驻波。由于机械波压缩伸长作用，在声光晶体中形成驻波形式的疏密相同的构造，也就是驻波形式的光栅。声光效应是指光通过某一受到超声波扰动的介质时发生衍射的现象，这种现象是光波与介质中声波相互作用的结果。1、布拉格声光调制我们设计的这套实验系统主要是用来完成利用布拉格衍射进行声光调制的各项实验，所以下面着重讲一下布拉格声光调制。如果声波频率较高，且声光作用长度较大，此时的声扰动介质也不再等效于平面位相光栅，而形成了立体位相光栅。这时，相对声波方向以一定角度入射的光波，其衍射光在介质内相互干涉，使高级衍射光相互抵消，只出现0级和1级的衍射光，这就是布拉格声光衍射，如图1所示，这种衍射形式效率较高，有利于制成各种实用器件。入射光衍射光CDθθθBxA图2入射光束在镜面上发生衍射图1布拉格声光衍射下面从波的干涉加强条件来推导布拉格方程。为此，可把声波通过的介质近似看作许多相距λs入射光衍射光CDθθθBxA图2入射光束在镜面上发生衍射图1布拉格声光衍射 （1）要使声波面上所有点同时满足这以条件，只有使 （2）即入射角等于衍射角才能实现。对于相距λs的两个不同的镜面上的衍射情况，由上下面反射的反射光具有同相位的条件，其光程差必须等于光波波长的整数倍，即 （3）考虑到，所以或 （4）式中，θi=θd=θB，θB称为布拉格角。可见，只有入射角等于布拉格角θB时，在声波面上的光波才具有同相位，满足相干加强的条件，得到衍射极值，上式称为布拉格方程。由于发生布拉格声光衍射时，声光相互作用长度较大，属于体光栅情况。理论分析表明，在声波场的作用下入射光和衍射光之间存在如下关系 （5）式中Ei和Ej分别为入射和衍射光场，这为我们描述两个光场的能量转换效率提供了方便。定义：在作用距离L处衍射光强和入射光强之比为声光衍射效率，即 （6）由于，注意到＝。因此，(6)式可写为 (7)式中Δф是传播距离L后位相改变量。引入有效弹光系数pe和有效应变Se， （8）其中有效应变Se同声波场强度Is的关系是 （9）式中是声速，是介质密度。于是(1)式写成 （10）或 （11）式中，，是声光介质的物理参数组合，是由介质本身性质决定的量，称为声光材料的品质因数(或声光优质指标)，它是选择声光介质的主要指标之一。从(4)式可见：(a)若在超声功率Ps一定的情况下，欲使衍射光强尽量大，则要求选择M2大的材料，并且，把换能器做成长面较窄（即L大H小）的形式；(b)如果超声功率足够大，使达到时，＝100%(c)当改变时，也随之改变，因而通过控制Ps(即控制加在电声换能器上的电功率)就可以达到控制衍射光强的目的，实现声光调制。2、声光调制系统的设计声光调制系统设计的目的：设计出一整套完整的实验系统，尽量减小其危险性，便于操作。(1).光源的选择本实验系统采用的是半导体激光器650nm的红光，它具有激光的一切优点，例如相干性好，发散角小，便于在空间传输等优点。除此之外，与He-Ne激光器相比，它精小简携，放置在四维调整架上，易于调整。而且本实验系统的650nm红光是在0～2.5mW可调的，这样就便于对光路的调节且不伤眼睛。(2).声光晶体的选择很多材料都可以做声光材料使用，例如熔石英、钼酸铅、超重火石玻璃等。这样我们就需要根据实际应用的要求进行选择，以下简述一下对本实验系统应完成的布拉格衍射所需要的晶体的选择。通常评价声光材料性能优劣的品质因数有三个：①：表征材料的调制效率。,为调制效率，，故越大，所需声功率则越小。②：评价材料的布拉格带宽的品质因数。显然当光波和声波波长变化时，都将引起布拉格角θB的变化，从而降低衍射效率。对布拉格衍射，定义一级衍射光强下降到名义声波λs的衍射光强的一半时，声频变化量Δƒs为布拉格带宽：，所以。引入一个新的物理量，使，越大，由此材料制成的调制器调制带宽越宽。③M3：这是表征材料声速大小的一个品质因数。当声光器件作声光偏转用时，要求材料的声速要小，因而引入M3=M1/Vs=n7p2/ρVs2。综上所述，对声光材料的上述要求某些是矛盾的，必须视具体问题综合考虑各因数，以确定适当的声光材料。对于布拉格衍射，我们需要M1，M2，M3均越大越好的声光材料，同时兼顾价钱等因素，我们的实验系统采取了钼酸铅晶体，它的各项品质因数为M1，M2=23.7，M3=24.9。(3).旋转平台的使用将声光晶体固定在旋转平台上，平台上有水平调节螺栓和角度调节螺栓，利用水平调节螺栓可以任意调整声光晶体的位置，待声光晶体位置大致确定以后，锁紧水平调节螺栓，然后旋转角度调节螺栓（±5˚精确调节），就可以改变光强在各级光斑上的分布。原有的旋转平台具有调节俯仰的功能，但是应用这样的旋转平台就会使声光晶体通光孔高度过高，导致整套系统比例失调，考虑到旋转平台的俯仰功能作用不大，所以现在采用的旋转平台去掉了这一部分，进而使得比例适当，稳定性好，易于调节。(4)横向微调滑座的使用为了可以方便的选择我们所需要的某级衍射光进行调制，设计并使用了可以横向微调的滑座，滑座上有精密刻度的横移调节机构（），将小孔光阑和接收放大器分别放在两个横向微调滑座上，调整好高度，在这种情况下，只要微调横向螺杆，就可以对衍射光精确定位。四.实验内容1、观察声光调制的衍射现象调节激光束的亮度，使在相屏中心有明晰的光点呈现，此即为声光调制的0级光斑；打开声光调制电压，微调载物平台上声光调制器的转向，以改变声光调制器的光束入射角，即可出现因声光调制而出现的衍射光斑；仔细调节光束对声光调制器的角度，当+1级（或者－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。注：布拉格衍射一级衍射达到极值的条件是：1)控制电压为一特定的值；2)入射激光必须以特定的角度布拉格角α入射。2、测量声光调制器的衍射效率定义：在作用距离处衍射光强和入射光强之比为声光衍射效率。衍射效率，其中为最大衍射光强，为0级光强。3、计算声光调制偏转角定义1级光和0级光间的距离为d，声光调制器到接收孔之间的距离为L,由于L〉〉d，即可求出声光调制的偏转角：4、测量超声波的波速将超声波频率F，偏转角与激光波长代入，其中，将求出的一起带入上式即可求得。[注意事项]1、调节过程中必须避免激光直射人眼，以免对眼睛造成危害。2、调节四维调整架时要轻调，不可用力过大，以免损坏调整架。3、供电电源应提供保护地线，示波器的地线需与系统良好