聲光效應(yīng)實(shí)驗(yàn)論文.doc

普通物理實(shí)驗(yàn)C課程論文題 目聲光效應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究 學(xué) 院 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院專 業(yè) 物理學(xué)（師范）年 級(jí) 2009級(jí)學(xué) 號(hào) 222009315210288姓 名 黃勁海指 導(dǎo) 教 師 鄧濤論 文 成 績(jī) _ 答 辯 成 績(jī) _2010 年 12 月 8 日聲光效應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究黃勁海西南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，重慶 400715摘要：本文探討了超聲波通過介質(zhì)時(shí)會(huì)造成介質(zhì)的局部壓縮和伸長(zhǎng)而產(chǎn)生彈性應(yīng)變，該應(yīng)變隨時(shí)間和空間作周期性變化，使介質(zhì)出現(xiàn)疏密相間的現(xiàn)象，如同一個(gè)相位光柵。當(dāng)光通過這一受到超聲波擾動(dòng)的介質(zhì)時(shí)就會(huì)發(fā)生衍射現(xiàn)象。這種現(xiàn)象稱之為聲光效應(yīng)。在實(shí)驗(yàn)中，應(yīng)用CCD光強(qiáng)分布測(cè)量?jī)x等，通過改變超聲波的頻率和功率。分別實(shí)現(xiàn)了對(duì)激光束方向的控制和強(qiáng)度的調(diào)制；定量給出了聲光偏轉(zhuǎn)量的關(guān)系曲線和聲光調(diào)制測(cè)量的關(guān)系曲線。本文就聲光效應(yīng)中的聲光偏轉(zhuǎn)原理和聲光調(diào)制原理的現(xiàn)象及有關(guān)物理量進(jìn)行定性或定量的分析。關(guān)鍵詞：聲光效應(yīng)；超聲波頻率；偏轉(zhuǎn)角；超聲波功率；衍射效率引言聲光效應(yīng)是指光通過某一受到超聲波擾動(dòng)的介質(zhì)時(shí)發(fā)生的衍射現(xiàn)象，這種現(xiàn)象是光波與介質(zhì)中聲波相互作用的結(jié)果。早在20世紀(jì)30年代對(duì)聲光衍射的實(shí)驗(yàn)研究就已經(jīng)開始了。聲光效應(yīng)為控制激光束的頻率、方向和強(qiáng)度提供了一個(gè)有效的手段。利用聲光效應(yīng)制成的聲光器件，如聲光調(diào)制器、聲光偏轉(zhuǎn)器和可調(diào)諧濾光器等，在激光技術(shù)、光信號(hào)處理和集成光通訊技術(shù)等方面有著重要的應(yīng)用。本實(shí)驗(yàn)研究就是通過實(shí)驗(yàn)對(duì)聲光效應(yīng)有一定的認(rèn)識(shí)與了解，并對(duì)有關(guān)物理量進(jìn)行定性或定量分析。1實(shí)驗(yàn)原理當(dāng)超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，將引起介質(zhì)的彈性應(yīng)變作時(shí)間和空間上的周期性的變化，并且導(dǎo)致介質(zhì)的折射率也發(fā)生相應(yīng)變化。當(dāng)光束通過有超聲波的介質(zhì)后就會(huì)產(chǎn)生衍射現(xiàn)象，這就是聲光效應(yīng)。有超聲波傳播的介質(zhì)如同一個(gè)相位光柵。11 兩種聲光效應(yīng)聲光效應(yīng)有正常聲光效應(yīng)和反常聲光效應(yīng)之分。在各項(xiàng)同性介質(zhì)中，聲光相互作用不會(huì)導(dǎo)致入射光偏振狀態(tài)的變化，產(chǎn)生正常聲光效應(yīng)。在各項(xiàng)異性介質(zhì)中，聲光相互作用可能導(dǎo)致入射光偏振狀態(tài)的變化，產(chǎn)生反常聲光效應(yīng)。12 超聲橫波對(duì)光波的衍射圖1聲光衍射如圖所示，設(shè)聲光介質(zhì)中的超聲橫波是沿方向傳播的平面縱波，其角頻率為，波長(zhǎng)為波矢為。入射光為沿方向傳播的平面波，其角頻率為，在介質(zhì)中的波長(zhǎng)為，波矢為。介質(zhì)內(nèi)的彈性應(yīng)變也以行波形式隨聲波一起傳播。由于光速大約是聲速的倍，在光波通過的時(shí)間內(nèi)介質(zhì)在空間上的周期變化可看成是固定的。121應(yīng)變與介質(zhì)折射率的變化關(guān)系由于應(yīng)變而引起的介質(zhì)的折射率的變化由下式?jīng)Q定 （1）式中，為介質(zhì)折射率，為應(yīng)變，為光彈系數(shù)。通常，和為二階張量。當(dāng)聲波在各項(xiàng)同性介質(zhì)中傳播時(shí)，和可作為標(biāo)量處理，如前所述，應(yīng)變也以橫波形式傳播，所以可寫成 （2）當(dāng)應(yīng)變較小時(shí)，折射率作為和的函數(shù)可寫作 （3）式中，為無超聲波時(shí)的介質(zhì)的折射率，為聲波折射率變化的幅值，由（1）式可求出設(shè)光束垂直入射（）并通過厚度為的介質(zhì)，則前后兩點(diǎn)的相位差為 （4）122 喇曼納斯衍射式（4）中，為入射光在真空中的波矢的大小，右邊第一項(xiàng)為不存在超聲波時(shí)光波在介質(zhì)前后兩點(diǎn)的相位差，第二項(xiàng)為超聲波引起的附加相位差（相位調(diào)制），?？梢姡?dāng)平面光波入射在介質(zhì)的前界面上時(shí)，超聲波使出射光波的波振面變?yōu)橹芷谧兓陌櫿鄄妫瑥亩淖兂錾涔獾膫鞑ヌ匦?，使光產(chǎn)生衍射。 設(shè)入射面上的光振動(dòng)為，為一常數(shù)，也可以是復(fù)數(shù)?？紤]到在出射面上各點(diǎn)相位的改變和調(diào)制，在平面內(nèi)離出射面很遠(yuǎn)一點(diǎn)的衍射光疊加結(jié)果為寫成等式時(shí)， （5）式中，為光束寬度，為衍射角，為與有關(guān)的常數(shù)，為了簡(jiǎn)單可取為實(shí)數(shù)。利用一與貝塞耳函數(shù)有關(guān)的恒等式式中為（第一類）階貝塞耳函數(shù)，將（5）式展開并積分得（6）上式中與第級(jí)衍射有關(guān)的項(xiàng)為 （7） （8）因?yàn)楹瘮?shù)在取極大值，因此有衍射極大的方位角由下式?jīng)Q定： （9）式中，為真空中光的波長(zhǎng)，為介質(zhì)中超聲波的波長(zhǎng)。與一般的光柵方程相比可知，超聲波引起的有應(yīng)變的介質(zhì)相當(dāng)于一光柵常數(shù)為超聲波長(zhǎng)的光柵。由（7）式可知，第級(jí)衍射光的頻率為 （10）可見，衍射光仍然是單色光，但發(fā)生了平移。由于，這種平移是很小的。第m級(jí)衍射極大的強(qiáng)度可用（7）式模數(shù)平方表示： （11）式中，為的共軛復(fù)數(shù)，第級(jí)衍射極大的衍射效率定義為第級(jí)衍射光的強(qiáng)度與入射光的強(qiáng)度之比。由（11）式可知，正比于。當(dāng)為整數(shù)時(shí)，。由（9）式和（11）式表明，各級(jí)衍射光相對(duì)于零級(jí)對(duì)稱分布。當(dāng)光束斜入射時(shí)，如果聲光作用的距離滿足，則各級(jí)衍射極大的方位角由下式?jīng)Q定 （12）式中為入射光波矢與超聲波波面的夾角。上述的超聲衍射稱為喇曼納斯衍射，有超聲波存在的介質(zhì)起一平面位光柵的作用。123布拉格衍射當(dāng)聲光作用的距離滿足，而且光束相對(duì)于超聲波波面以某一角度斜入射時(shí)，在理想情況下除了0級(jí)之外，只出現(xiàn)1級(jí)或1級(jí)衍射。如圖2所示。這種衍射與晶體對(duì)光的布喇格衍射很類似，故稱為布喇格衍射。能產(chǎn)生這種衍射的光束入射角稱為布喇格角。此時(shí)有超聲波存在的介質(zhì)起體積光柵的作用?？梢宰C明，布喇格角滿足1級(jí)0級(jí)1級(jí)0級(jí) 圖2 布拉格衍射平面圖 （13）式中（13）稱為布喇格條件。因?yàn)椴祭且话愣己苄?，故衍射光相?duì)于入射光的偏轉(zhuǎn)角 （14）式中，為超聲波的波速，為超聲波的頻率，其它量的意義同前。在布喇格衍射條件下，一級(jí)衍射光的效率為 （15）式中， 為超聲波功率，和為超聲換能器的長(zhǎng)和寬，為反映聲光介質(zhì)本身性質(zhì)的一常數(shù)，為介質(zhì)密度，為光彈系數(shù)。在布喇格衍射下，衍射光的效率也由（10）式?jīng)Q定。理論上布喇格衍射的衍射效率可達(dá)100，喇曼納斯衍射中一級(jí)衍射光的最大衍射效率僅為34，所以使用的聲光器件一般都采用布喇格衍射。 由（14）式和（15）式可看出，通過改變超聲波的頻率和功率，可分別實(shí)現(xiàn)對(duì)激光束方向的控制和強(qiáng)度的調(diào)制，這是聲光偏轉(zhuǎn)器和聲光調(diào)制器的基礎(chǔ)。從（10）式可知，超聲光柵衍射會(huì)產(chǎn)生頻移，因此利用聲光效應(yīng)還可以制成頻移器件。超聲頻移器在計(jì)量方面有重要應(yīng)用，如用于激光多普勒測(cè)速儀。以上討論的是超聲橫波對(duì)光波的衍射。實(shí)際上，超聲駐波對(duì)光波的衍射也產(chǎn)生喇曼納斯衍射和布喇格衍射，而且各衍射光的方位角和超聲頻率的關(guān)系與超聲行波的相同。不過，各級(jí)衍射光不再是簡(jiǎn)單地產(chǎn)生頻移的單色光，而是含有多個(gè)傅立葉分量的復(fù)合光。2實(shí)驗(yàn)儀器及裝置聲光器件、半導(dǎo)體激光器、聲光效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀、CCD光強(qiáng)分布測(cè)量?jī)x、光具座、示波器、頻率計(jì)。21實(shí)驗(yàn)裝置圖SO2000聲光效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀可完成基本聲光效應(yīng)實(shí)驗(yàn)和在此基礎(chǔ)上的聲光模擬通信實(shí)驗(yàn)，這兩種實(shí)驗(yàn)的安裝、連線分別介紹如下。Y信號(hào)同步聲光功率信號(hào)源X激光器轉(zhuǎn)角平臺(tái)光強(qiáng)分布測(cè)量?jī)x聲光功率信號(hào)源示波器偏振減光器頻率計(jì)附圖3聲光效應(yīng)實(shí)驗(yàn)安裝圖22實(shí)驗(yàn)中需用到的電線或電纜：光強(qiáng)分布測(cè)量?jī)x到示波器：同型號(hào)2根，每根一頭為3插頭，接光強(qiáng)分布測(cè)量?jī)x；一頭為Q9插頭，接示波器。這兩根線中，一根連接光強(qiáng)分布測(cè)量?jī)x的“信號(hào)”和示波器的測(cè)量輸入通道，另一根連接光強(qiáng)分布測(cè)量?jī)x的“同步”和示波器的外觸發(fā)同步通道。功率信號(hào)源到轉(zhuǎn)角平臺(tái)上的聲光器件：1根。其一頭為Q9插頭，連接聲光器件，一頭為蓮花插頭，連接功率信號(hào)源的“聲光”插座，此時(shí)，功率信號(hào)源要打在“等幅”上；當(dāng)使用模擬通信收發(fā)器時(shí)，要打在“調(diào)幅”上。3實(shí)驗(yàn)結(jié)果及探究本實(shí)驗(yàn)是以小組為單位，通過小組每個(gè)成員的努力及在指導(dǎo)老師的幫助下順利完成實(shí)驗(yàn)。31實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表1. 聲光效應(yīng)研究實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記 次數(shù) 0級(jí)光與1級(jí)光的偏轉(zhuǎn)距離(mm) L(mm) (mm fs（MHz） vs 1 29.7/8*0.168/0.2=3.1185 205.5 0.0152 80.45 3440.302 29.7/8*0.176/0.2=3.2670 205.5 0.0159 85.31 3487.523 29.7/8*0.184/0.2=3.4155 205.5 0.0167 90.333515.844 29.7/8*0.192/0.2=3.5640 205.5 0.0173 95.293580.265 29.7/8*0.200/0.2=3.7125 205.5 0.0181 100.27 3600.866 29.7/8*0.208/0.2=3.8610 205.5 0.0188 105.163635.85表2Id關(guān)系數(shù)據(jù)記錄表 fs Id fs Id fs Id 90.00 2.08 96.01 3.12 102.12 4.1691.16 2.24 97.03 3.28 103.06 4.2492.07 2.40 98.05 3.52 104.14 4.2493.04 2.56 99.05 3.68 105.14 4.1694.01 2.72 100.07 3.92 106.14 4.0895.04 2.96 101.01 4.08 表3. I0 I1 Ps關(guān)系數(shù)據(jù)記錄表 I0 I1 Ps I0 I1 Ps8.96 0 6.45 2.00 508.25 10 5.01 3.44 607.90 0.32 20 4.45 4.88 707.65 0.40 30 4.02 6.32 807.05 0.88 40 4.10 6.80 9032實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理321求出Vs平及相對(duì)誤差Vs平=（3440.30+3487.52+3515.84+3580.26+3600.86+3635.85）=3543.44m/s相對(duì)誤差 =（vs - Vs平）/ vs=（3632-3543.44）/3632*100%=2.44%322作出入射光的偏轉(zhuǎn)角與超聲波頻率的關(guān)系曲線圖圖.入射光的偏轉(zhuǎn)角與超聲波頻率的關(guān)系曲線323確定聲光器件的中心頻率及帶寬作出fs與Id關(guān)系曲線由曲線可確定聲光器件的中心頻率 fo=103.06MHZ帶寬 fo=（103.06-95.0）/2+(119.02-103.06)/2=12.03MHZ324作出Id與Ps聲光調(diào)制曲線并求出布喇格衍射下的最大衍射功率I09.05 I1=7.92 （I0為未發(fā)生衍射時(shí)“0級(jí)光”強(qiáng)度，I1為發(fā)生聲光衍射時(shí)“1級(jí)光”強(qiáng)度） 則最大衍射效率= I1/ I0*100%=87.5%4實(shí)驗(yàn)探究結(jié)論本實(shí)驗(yàn)需要注意的是，光源與聲光介質(zhì)的距離盡可能近些，聲光介質(zhì)光出射面到CCD光面的距離遠(yuǎn)些為好，應(yīng)選擇L 450 mm以上。另外，在測(cè)量時(shí)，因超聲信號(hào)源的頻率改變時(shí)，輸出功率也會(huì)隨之改變，因此要注意保持輸出功率不變。通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量可知，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析一致。利用聲光