声光效应实验讲义.doc

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。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理想的光源，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的应用。 实验要求 1.实验重点 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。 2.预习要点 ①什么是声光效应？ ②怎么区分喇曼-纳斯衍射和布拉格衍射？ ③声光偏转器和声光调制器的基本原理是什么？ ④模拟激光通讯实验是如何传播声音信号的？ 2.实验原理 1.声光效应 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的变化，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。有超声波传播着的介质如同一个相位光栅。 声光效有正常声光效应和反常声光效应之分。在各向同性介质中，声光相互作用不导致入射光偏振状态的变化，产生正常声光效应。在各向异性介质中，声光相互作用可能导致入射光偏振状态的变化，产生反常声光效应。反常声光效应是制造高性能声光偏转器和可调滤光器的物理基础。正常声光效应可用喇曼-纳斯的光栅假设作出解释，而反常声光效应却不能用光栅假设解释。在非线性光学中，利用参量相互作用理论，可建立起声-光相互作用的统一理论，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。本实验只涉及到各向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。 由于应变而引起的介质折射率的变化由下式决定 (1） 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。当声波在各向同性介质中传播时，P和S可作为标量处理，如前所述，应变也以行波形式传播，所以可写成 （2） 当应变较小时，折射率作为y和t的函数可写作 （3） 式中，n0为无超声波时的介质折射率，△n为声波折射率变化的幅值，由（1）式可求出 设光束垂直入射（k⊥kS）并通过厚度为L的介质，则前后两点的相位差为 （4） 式中，k0为入射光在真空中的波矢的大小，右边第一项△ф0为不存在超声波时光波在介质前后二点的相位差，第二项为超声波引起的附加相位差（相位调制），δΦ = k0△nL 。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。 2.声光衍射 图1 声光衍射 设入射面上的光振动为Ei =Aei t，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，写成一等式为： （5） 式中，b为光束宽度，θ为衍射角，n是晶体折射率，C为与A有关的常数，为了简单可取为实数。利用一与贝塞耳函数有关的恒等式，式中Jm(α)为（第一类）m阶贝塞耳函数，将（5）式展开并积分得 （6） 上式中与第m级衍射有关的项为 （7） （8） 因为函数sinχ/χ在χ= 0 时取极大值，因此有衍射极大的方位角θm由下式决定： （9） 式中，λ0为真空中光的波长，λS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当于一光栅常数为超声波长的光栅。由（7）式可知，第m级衍射光的频率wm为 wm= w-mws (10) 可见，衍射光仍然是单色光，但发生了频移。由于wws