聲光效應(yīng) 物理實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、 介質(zhì)中傳播的超聲波會(huì)造成介質(zhì)的局部壓縮和伸長。由于彈性應(yīng)變而使介質(zhì)的折射率或介電常數(shù)發(fā)生改變，當(dāng)光通過介質(zhì)時(shí)就會(huì)發(fā)生衍射現(xiàn)象，稱之為聲光效應(yīng)。由于聲光效應(yīng),衍射光的強(qiáng)度、頻率、方向等都隨著超聲波場(chǎng)而變化。其中衍射光偏轉(zhuǎn)角隨超聲波頻率變化的現(xiàn)象稱為聲光偏轉(zhuǎn)；衍射光強(qiáng)度隨超聲波功率變化的現(xiàn)象稱為聲光調(diào)制。早在19世紀(jì)30年代就開始了聲光衍射的實(shí)驗(yàn)研究。60年代激光器的問世為聲光現(xiàn)象的研究提供了理想的光源，促進(jìn)了聲光效應(yīng)理論和應(yīng)用研究的迅速發(fā)展。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

2、和集成光通訊技術(shù)等方面有著重要的應(yīng)用?！緦?shí)驗(yàn)?zāi)康摹苛私饴暪庀嗷プ饔玫脑怼Ａ私饫患{斯衍射和布喇格衍射的實(shí)驗(yàn)條件和特點(diǎn)。通過對(duì)聲光器件衍射效率、中心頻率和帶寬的測(cè)量加深對(duì)其概念的理解測(cè)量聲光偏轉(zhuǎn)和聲光調(diào)制曲線?！緦?shí)驗(yàn)儀器】S02000聲光效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀 【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。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，聲一光相互作用不導(dǎo)致入射光偏振狀態(tài)的變化，一理論，并且運(yùn)用動(dòng)量匹配和失

3、配等概念對(duì)正常和反常聲光效應(yīng)都可作出解釋。本實(shí)驗(yàn)只涉及到各項(xiàng)同性介質(zhì)中的正常聲光效應(yīng)。設(shè)聲光介質(zhì)中的超聲行波是沿y方向傳播的平面縱波，其角頻率為，波長為幾波矢為k。入射光為沿x方向傳播的平sss面波，其角頻率為在介質(zhì)中的波長為2,波矢為比介質(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105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。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1A()psn2式中，n為介質(zhì)折射率，S為應(yīng)變，P為光彈系數(shù)。通常，P和S為二階張量。當(dāng)聲波在各項(xiàng)同性介質(zhì)中傳播時(shí)，P和S可作為標(biāo)量處理，如前所述，應(yīng)變也以行波形式傳播，所以可寫成s=s*

4、sin(wt-ky)oss當(dāng)應(yīng)變較小時(shí)，折射率作為y和t的函數(shù)可寫作n(yt)=n+AnsinWt-ky)式中，n為無超聲波時(shí)的介質(zhì)的折射率，An為聲波折射0率變化的幅值，由(1)式可求出1An=-鄉(xiāng)n3psN0設(shè)光束垂直入射(kk)并通過厚度為L的介質(zhì)，則前后s兩點(diǎn)的相位差為AO=kn(y,t)L=AO+sin(wtky)00ss式中，k為入射光在真空中的波矢的大小，右邊第一項(xiàng)0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)0為超聲波引起的附加相位差(相位調(diào)制,30=k厶口。可0見，當(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?，從而改變出射光的傳播特?/p>

5、，使光產(chǎn)生衍射。設(shè)入射面上x二-L/2勺光振動(dòng)為E二A，A為一常數(shù)，也可I以是復(fù)數(shù)。考慮到在出射面x=L/2t各點(diǎn)相位的改變和調(diào)制,在xy平面內(nèi)離出射面很遠(yuǎn)一點(diǎn)的衍射光疊加結(jié)果為E=Ce|wtfbei5qsin(kywt)e_Ikysin0dy2ss0_bT式中，b為光束寬度，e為衍射角，C為與A有關(guān)的常數(shù)，為了簡單可取為實(shí)數(shù)。分析可知與第m級(jí)衍射有關(guān)的項(xiàng)為E=Ee(w_mwtm0E=CbJ(50)sinb(mk-k0sin0J0mb(mkksiE)/2s0因?yàn)楹瘮?shù)sinx/在x=0取極大值，因此有衍射極大的方位角e由下式?jīng)Q定:mTOC o 1-5 h z0k九sin0m=咲=m訃0s式中，久

6、為真空中光的波長，久為介質(zhì)中超聲波的波長。0s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)為超聲波長的光柵。由（7）式可知，第m級(jí)衍射光的頻率為mw二wmwms可見，衍射光仍然是單色光，但發(fā)生了頻移。由于，s這種頻移是很小的。第m級(jí)衍射極大的強(qiáng)度I可用（7）式模數(shù)平方表示：m1EE*CqJ2）=IJ2）m0m0m式中，E.為E的共軛復(fù)數(shù)，I二Ub2000第m級(jí)衍射極大的衍射效率n定義為第m級(jí)衍射光的強(qiáng)度m與入射光的強(qiáng)度之比。由（11）式可知，n正比于J2窗）。mm當(dāng)m為整數(shù)時(shí)，J（a）=（-1）mJ（a）。由9）式和（11）-mm式表明，各級(jí)衍射光相對(duì)于零級(jí)對(duì)稱分布。當(dāng)光

7、束斜入射時(shí)，如果聲光作用的距離滿足L2Z2久而且光束相對(duì)于超聲s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)唯一的衍射級(jí)，+1級(jí)或-1級(jí)衍射。如圖2所示。這種衍射與晶體對(duì)X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sin.九BXs上式稱為布拉格條件。實(shí)驗(yàn)儀器介紹一套完整的S02000聲光效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀配有：已安裝在轉(zhuǎn)角平臺(tái)上的100MH聲光器件、半導(dǎo)體激光器、100MHZ功率信號(hào)源、LM601CCD光強(qiáng)分布測(cè)量儀及光具座。聲光器件聲光器件的結(jié)構(gòu)示意如圖3所示。它由聲光介質(zhì)、壓電換能器和

8、吸聲材料組成。本實(shí)驗(yàn)采用的聲光器件中的聲光介質(zhì)為鉬酸鉛，吸聲材料的作用是吸收通過介質(zhì)傳播到端面的超聲波以建立超聲行波。將介質(zhì)的端面磨成斜面或成牛角狀，也可達(dá)到吸聲的作用。壓電換能器又稱超聲換能器，由妮酸鋰晶體或其它壓電材料制成。它的作用是將電功率換成聲功率，并在聲光介質(zhì)中建立起超聲場(chǎng)。壓電換能器既是一個(gè)機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)，又是一個(gè)與功率信號(hào)源相聯(lián)系的電振動(dòng)系統(tǒng)，或者說是功率信號(hào)源的負(fù)載。為了獲得最佳的電聲能量轉(zhuǎn)換效率，換能器的阻抗與信號(hào)源的內(nèi)阻應(yīng)當(dāng)匹配。聲光器件有一個(gè)衍射效率最大的工作頻率，此頻率稱為聲光器件的中心頻率，記為f。對(duì)c于其它頻率的超聲波，其衍射效率將降低。規(guī)定衍射效率（或 衍射光的相對(duì)

9、光強(qiáng)）下降3db（即衍射效率降到最大值的12）時(shí)兩頻率間的間隔為聲光器件的帶寬。聲光器件安裝在一個(gè)透明塑料盒內(nèi)，置于轉(zhuǎn)交平臺(tái)上。盒上有一插座，用于和功率信號(hào)源的聲光插座相連。透明塑料盒兩端各開一個(gè)小孔，激光分別從這兩個(gè)小孔射入和射出聲光器件，不用時(shí)用貼紙封住以保護(hù)聲光器件。旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)交平臺(tái)的旋轉(zhuǎn)手輪可以轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)交平臺(tái)，從而改變激光射入聲光器件的角度。功率信號(hào)源SO20O0功率信號(hào)源專為聲光效應(yīng)實(shí)驗(yàn)配套，輸出頻率范圍為80120MHz，最大輸出功率為1W。CCD光強(qiáng)分布測(cè)量儀：其核心是線陣CCD器件。CCD器件是一種可以電掃描的光電二級(jí)管列陣，有面陣（二維）和線陣（一維）之分。LM601/501CCD

10、光強(qiáng)儀所用的是線陣CCD器件，機(jī)殼尺寸為150mmX100mmX50mm，CCD器件的光敏面至光強(qiáng)儀前面板距離為4.5mm。USB100計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集盒：用USB接口與計(jì)算機(jī)相連，同時(shí)以DB15插座通過電纜線與LM601/501CCD光強(qiáng)儀后面板上的DB9插座相連。采集盒上有一個(gè)12位的A/D轉(zhuǎn)換器，也就是說可以把CCD器件上每一個(gè)光敏單元上的光強(qiáng)信號(hào)分成4096個(gè)灰度等級(jí)。空間分辨率與所使用CCD光強(qiáng)儀的型號(hào)有關(guān)。模擬通信收發(fā)器模擬通信收發(fā)器由三件儀器組成：模擬通信發(fā)送器、模擬通信接收器和光電池盒。半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器輸出光強(qiáng)穩(wěn)定，功率可調(diào)，壽命長。在后面板上有一只調(diào)節(jié)激光強(qiáng)度的電位器，

11、在盒頂和盒側(cè)各有一只做XY方向微調(diào)的手輪。光具座0.8m長，配三只馬鞍座，其中一只可橫向移動(dòng)，一般用于安置CCD光強(qiáng)儀或光電池盒用。SO2000的各部件的底端都有螺口用以旋入直徑為10mm的立桿，擰緊后插入各馬鞍座里，旋緊馬鞍座的立桿旋鈕，在將馬鞍座置于光具座上，待各部件位置調(diào)好后，旋緊馬鞍座側(cè)面的旋鈕即可完成固定。頻率計(jì)采用VC2000智能頻率計(jì)，量程為10Hz2.4GHz。【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容】開機(jī)預(yù)熱10分鐘；觀察喇曼一納斯衍射和布拉格衍射，比較兩種衍射的實(shí)驗(yàn)條件和特點(diǎn)；調(diào)出布喇格衍射，用示波器測(cè)量衍射角，先要解決“定標(biāo)”的問題，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

12、于CCD器件位置X方向上的多少距離。用微機(jī)測(cè)量衍射角，則只需在軟件上直接讀出X方向上的距離（ch值）和光強(qiáng)度值（A/D值）布拉格衍射下測(cè)量衍射光相當(dāng)于入射光的偏轉(zhuǎn)角e與超聲波頻率（即電信號(hào)頻率）fs的關(guān)系曲線，并計(jì)算聲速vs。測(cè)出68組（,fs）值，在課堂上用計(jì)算器作直線擬合求出e和fs的相關(guān)系數(shù)。課后做e和fs的關(guān)系曲線。注意式（13）和（14）中布拉格角iB和偏轉(zhuǎn)角e都是指介質(zhì)內(nèi)的角度，而直接測(cè)出的角度是空氣中的角度，應(yīng)進(jìn)行換算，聲光器件n=2.386。由于聲光器件的參數(shù)不可能達(dá)到理論值，實(shí)驗(yàn)中布拉格衍射不是理想的，可能會(huì)出現(xiàn)高級(jí)次衍射光等現(xiàn)象。調(diào)節(jié)布拉格衍射時(shí)，使1級(jí)衍射光最強(qiáng)即可。實(shí)驗(yàn)次數(shù)0級(jí)0級(jí)光與1級(jí)光的偏轉(zhuǎn)格數(shù)光與1級(jí)光的偏轉(zhuǎn)距離（mm）L(mm)1.07.004.934092.002.07.505.334052.003.07.905.634032.004.08.205.834042.00fs(MHZ)Vs1級(jí)光高度0級(jí)光高度0.85.15813.0146007.179.00500.90.15617.0156008.499.00000.95.15719.0165001.809.50000.10015914.0171.004.002.10005.06.2340.105155618.80072.0