固体声光效应实验.ppt

固体声光效应实验 什么是声光效应？ 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。 ＜实验目的＞ 1.了解声光效应的原理。 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。 5.模拟激光通讯实验。 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 光具座 实验原理 设声光介质中的超声行波是沿у方向传 播的平面纵波，其角频率为ws，波长为 λs，波矢为ks。 入射光为沿х方向传播的平面波，其角频率为w，在介质中的波长为λ，波矢为k。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。 实验过程 1.安装连接实验仪器 2.调出布喇格衍射 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 。本实验中，每格对应实际空间距离为2700个像元÷8格×11μm = 3712.5μm = 3.7125 mm，每小格对应实际空间距离为3.7125 mm÷5 = 0.7425 mm 实验过程 3.布喇格衍射下测量衍射光相对于入射光的偏转角φ与超声波频率（即电信号频率）fs的关系曲线，并计算声速νs。 实验过程 4.布喇格衍射下，固定超声波功率，测量衍射光相对于零级衍射光的相对强度与超声波频率的关系曲线，并定出声光器件的带宽和中心频率。 5.布喇格衍射下，将功率信号源的超声波频率固定在声光器件的中心频率上，测出衍射光强度与超声波功率，并作出其声光调制关系曲线。 6测定布喇格衍射下的最大衍射效率，衍射效率 = I1/I0. 实验结果 数据处理与作图 1、入射光的偏转角与超声波频率的关系曲线 2、衍射光相对强度与超声波频率关系曲线 3、第三组实验时，由于仪器问题，测量数据极不准确，误差太大。(I1小有变动，Io几乎保持不变。未作图。） 疑问 （1）实验过程中功率怎样调节？调至最大？为什么？ （2）调频时，波形图的峰值处出现凹陷，应怎样对准读值？ * 声光效应 正常声光效应：在各向同性介质中，声与光相互作用不导致入射光偏振状态的变化。可用衍射光栅假设作出解释。 反常声光效应：在各向异性介质中，声与光相互作用导致入射光偏振状态的变化。不能用光栅假设作出说明。 本实验只涉及到各向同性介质中的正常声光效应。 信号 同步 声光功率信号源 激光器 转角平台 光强分布测量仪 Y X 示波器 频率计 KS b 2 b 2 L 2 χ y K o L 2 θ 图9：声光衍射 应变引起的介质折射率的变化 n为介质折射率，S 为应变， P为光弹系数。 在各向同性介质中， S和P 可作为标量处理。 应变也以行波形式传播，所以可写成 S=S0 当应变S较小时，折射率作为y和t的函数可写作 n0 + n0 为无超声波时的介质折射率 ， 为声致折射率变化的幅值。 设光束垂直入射（k 垂直于 ks），并通过厚度L为 的介质，则光波前后两点的相位差可由波矢和光程求出，即有 可见，当波阵面为平面的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传播特征，使光产生衍射。 设入射面上的光振动为 ，A为一常数，也可以是复数。考虑到在出射面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果为 b为光束宽度， 为衍射角，C为与A及 有关的常数，为了简单可取为实数。 + + = 展开并积分得： 其中，与第m级衍射有关的项为： = 函数 在 时取极大值，因此衍射极大的方位角 由下式决定 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个光栅常数为超声波长的光栅。 第m 级衍射光的频率 为 可见，衍射光仍然是单色光，但发生了频移。且这种频移是很小的。 = 喇曼—纳斯衍射 当光束斜入射时，如