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《声光调制实验
声光调制实验
教学目的 1、掌握声光调制的基本原理; 2、了解声光器件的工作原理;观察布拉格声光衍射现象; 3、了解布拉格声光衍射和拉曼—奈斯声光衍射的区别。 重难点 难点:理解和掌握晶体声光调制的原理和实验方法; 重点:了解布拉格声光衍射并观察布拉格声光衍射现象 教学方法 理论联系实际;实验观察与比较;精讲与指导讨论相结合 学时 3个学时 一、前言 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 衍射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 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 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、实验仪器
1.调平底脚 2.导轨 3.滑座 4.四维调整架 5.半导体激光器 6.声光晶体盒 7.旋转平台 8.小孔光阑 9.横向滑座 10.光电探测器 本实验系统是由半导体激光器、声光盒、小孔光阑、光电探测器以及声光调制 电源箱组成。 三、实验原理 (一)声光调制的物理基础 1、弹光效应: 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质。 2、声光栅 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 变化的相位。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,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。 首先考虑行波的情况,设平面纵声波在介质中沿x方向传播,声波扰动介质中的 质点位移可写成: μ0是质点振动的振幅,ωs是声波频率,ks是声波波矢量的模。相应的应变场是
对各向同性介质,折射率分布为 声行波在某一瞬间是对介质的作用情况如图1所示。图中密集区(黑)表示介质受到 压缩,密度增大,相应的折射率也增大;稀疏区(白)表示介质密度变小,折射率减 小。介质折射率增大或减小呈现交替变化,变化的周期是声波周期,同时又以声速 向前传播。 图1 声行波形成的超声光栅 对于驻波的情况,考虑两个相向传播的同频声行波的叠加,质点位移可以写成 而介质折射率为: 因驻波效应(5)式中的应是(3)式的2倍。图2给出了声驻波情况下介质折射率的变 化情况,其中在图中的曲线t+Ts/4和t+3Ts/4表示左、右行波。从图中可见,声波在 一个周期之内,介质呈现两层疏密层结构,在波节处介质密度保持不变,因而 在波腹处折射率每隔半个周期就变化一次。这样,作为超声光栅,它将交替出 现和消失,其交替变化的频率为原驻波周期的二倍,即。 3、声光效应 声光效应是指光波在介质中传播时,被超声波场衍射或散射的现象。由于声波是 一种弹性波,声波在介质中传播会产生弹性应力或应变,这种现象称为弹光效应。介 质弹性形变导致介质密度交替变化
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