声光效应实验探究论文

普通物理实验皿课程论文题 目 声光效应实验研究学院专业年级学号姓名指导教师论文成绩答 辩 成 绩 2015 年 月 日声光效应实验研究摘要：由外力引起介质的弹性形变产生的光学效应，称为力学光学效应或弹光效应。当光波和声波 同时在介质中传播时，会出现两种波的相互作用，这种相互作用通过声光介质耦合，这称为“声光 衍射”或“声光作用”。声波引起的弹光效应加上声光作用合称为“声光效应”。本论文旨在加深对 声光效应原理的理解，通过实验验证声光效应理论。并以布喇格衍射为研究主体，通过对声光器件 0 级和 1 级衍射光斑的距离和衍射光相对强度的测量，绘制出声光偏转曲线和声光调制曲线,进而 对相关物理量进行定性或定量的分析。关键词：声光衍射；偏转角；超声波功率；衍射效率引言声光效应是指光通过某个受到超声波扰动的介质时发生的衍射现象，这种现象是 光波与介质中声波相互作用的结果。声光互作用的研究早在 20 世纪的 30 年代就已开 始。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、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作用。1 实验原理当晶体中有超声波通过时，会改变晶体的光学性质，使它的折射率随之发生相应 的周期性变化，形成随超声波强度变化的分布，整个晶体相当于一个相位光栅。该光 栅间距（光栅常数）等于声波波长，会对入射激光产生衍射作用。其衍射光的强度、 频率、方向等都随超声场的变化而变化，这就是声光效应。1.1 声光效应的分类 声光效应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 用不导致入射光的偏振状态发生变化，产生正常声光效应。在各向异性介质中，声-光相 互作用，可能导致入射光的偏振状态发生变化，产生反常声光效应。本实验只涉及各向 同性介质的正常声光效应。 按照声波频率的高低以及声波和光波作用长度的不同，声光效应可分为喇曼-纳 斯衍射和布喇格衍射两种类型。区分两种衍射类型的根据为Q 二 2兀 L(1)九2S其中，L为声光相互作用长度，九为介质中的光波长，九为声波波长。一般地，当 sQ4兀时，发生为布喇格衍射，而在0.3 Q 4n，光波在九2S介质中要穿过多个声波面，此时介质具有“体 光栅”的性质。衍射光将相互抵消，只出现0级和+1级(或1根据图2容易得出，布喇格角i 口满足B. k.九i 二 arcsin 二 arcsin b2k22s(10)式(10)称为布喇格条件，因为布喇格角一般都很小，故衍射光相对于入射光的偏转角为二2iB(11)ss式中，V为超声波波速，f为超声波频率，其它量的意义同前。在布喇格衍射 ss下，一级衍射光的衍射效率为.冗丽(12)n 二 sin2 2 S八2H0式中，Ps为超声波功率，L和H为超声换能器的长和宽，M2为反映声光介质本身性质的一个常数，称为声光优值，定义方式为M =， p为介质密度，P为光弹系数。2 pV 3s通过一维声光效应耦合波方程式可以证明，只有相邻两级次的光才能直接耦合，入射0级光是不能直接与2级和2级以上的衍射光直接耦合的，因此布喇格衍射在理 想情况下只会得到一个衍射光或者是+1 级衍射光或者是-1 级衍射光。2 实验仪器及装置一套完整的 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光强分布测量仪及光具座。本实验 利用示波器采集信号，所以在终端会连入示波器来观察衍射现象，这样就构成了示波器 型 SO2000。声光器件由声光介质、压电换能器和吸声材料组成。本实验采用的声光器件中的声 光介质为钼酸铅，在该介质中声速理论值Vs=3632m/s，介质折射率n=2.368。21实验装置图S02000声光效应实验仪可完成基本声光效应实验和在此基础上的声光模拟通信实 验。安装、连线介绍如下。光强分布测量仪声光功率信号源转角平台激光器图3声光效应实验安装图Figure 3 Acousticoptical Effect Experiment Installation22实验中需用到的电线或电缆光强分布测量仪到示波器：同型号2根，每根均为双Q9插头。这两根线中，一根 连接光强分布测量仪的“信号”和示波器的测量输入通道，另一根连接光强分布测量仪 的“同步”和示波器的外触发同步通道。功率信号源到转角平台上的声光器件：1根。其一头为Q9插头，连接声光器件， 一头为莲花插头，连接功率信号源的“声光”插座，此时，功率信号源要打在“等幅” 上。3实验数据记录及处理1在布喇格衍射下，测量声光偏转量，计算超声波声速。2 f由式(11)得：超声波波速V =,本实验采用的光源为X =650nm的半导体激光 s O器，其中f为超声波频率。由于偏转角比较小，则为0级光与1级光的 sL偏转距离，L为声光介质的光出射面到CCD线阵光敏面的距离)。数据记录及处理：表 1 声光偏转距离记录表Table 1 Acousto-optic Deflection Distance Note List0级光与1级光的偏转距离f (MHz)sV(m/s)s次数(pm)L(mm)15205375.50.013987.604107.7826245375.50.016692.263605.8236736375.50.017994.923439.3747122375.50.019098.473374.6257502375.50.0200101.443300.3268114375.50.0216107.923246.31计算得到声速平均值V =3512.37m/ss相对误差E =s - Vs = 3632-3512-37 X 100%3.29%V3632s超声波频率110.00105.0095.0090.0085.00100.00图 4 入射光的偏转角与超声波频率的关系曲线Figure 4The Curves of Deflection Angle of Incident Light and The Ultrasonic Frequency对原始数据点采用线性拟合，得到的拟合直线的表达式为f 二 2588. 4 + 50. 086，并求出相关系数 r=0.9798。s2. 在布喇格衍射下，固定超声波频率，测量衍射光相对于0 级光的相对强度与超声 波的频率，作出其I-f关系曲线图，并确定声光器件的中心频率及带宽。本实验中，所 ds 有关于光的相对强度的测定，均是以示波器上显示的电压值为标准，因为可以认为光波 强度与电压值成正比。数据记录如下：0.4500.4000.3500.3000.25089.094.099.0104.0109.0114.0119.0 f s超声波频率(MHz)d衍射光的相对强度表2 衍射光强与超声频率记录表Table 2 Ultrasonic Diffraction of Light Intensity and Frequency RecordsfsIdfsIdfsIdfsId107.90.46889.50.28095.40.414101.70.472110.10.45591.60.31197.40.438103.60.481112.50.40592.70.36199.30.476104.90.480116.70.35193.80.363100.40.459106.60.469119.40.323图 5 衍射光相对强度与超声波频率关系曲线Figure 5 The Diffraction Relative Intensity of the Light and The Ultrasonic Frequency Curves对于该图像，可用多项式函数对其进行拟合计算。考虑到用 Excel 表格处理数据会产生较大的精度损失，故此步骤利用 Mathematica 7.0 软件实现，操作代码如下：Clearf,x；fx_=Fit89. 5,0.28, 91.6,0. 311, 92.7,0. 361, 93.8,0. 363, 95.4,0.414, 97.4,0.438, 99. 3,0.476, 100.4,0.459, 101. 7,0.472, 100.3,0.481, 104.9,0.48, 106.6,0.469, 107.9,0.468, 110.1,0.455, 112. 5,0.405, 116. 7,0. 351, 119.4,0. 323,1, X, %2, %3, %4, %5, %6,兀;17031.8-985.829x+23.7301x2-0.304108x3+0.00218861x4-8.3876x10_ 6X5+1.33737x10-8X6FindMaximumf x, %, 89,120 0.480414,xt103.327 0.480414NSolvefx= 迈 ,%xt85.72 0 9,xt92.4194 ,xt105.502-14.8 624tm,xt105.502 + 14.8 624tm,xt117.20 9,xt120.82 从而确定出声光器件的中心频率 f =103.327MHz，0带宽(衍射效率降到最大值的1/V2时)Af 二(103.327-92.4194) + (117.209-103.327)/2=12.3948MHz。s3. 在布喇格衍射下，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，记录衍射0级光光强度(I)和1级光光强度(I)以及超声波功率(P),并作出其相对声光0 1 s调制曲线(P近似地用功率信号源的板流i标征)。ss数据记录如下：1.200衍射光相对光强1.0000.8000.6000.4000.2000.000020406080 100 超声波相对功率表 3 声光调制实验记录表Table 3 Acousto-optic Modulation Experiment RecordsPI0I1PI0I100.980500.7760.208100.940600.7620.384200.9200.048700.6080.440300.8640.088800.5520.560400.8240.120900.5040.576图 6 相对声光调制曲线Figure 6 Relative Acousto-optic Modulation Curves把超声波的频率固定在声光器件的中心频率附近，改变超声波功率的大小， 就可以改变衍射效率的大小，而且衍射光的强度随超声波功率的增大而增大，非 衍射光的强度随超声波功率的增大而减小。这就是声光调制原理。4. 测定布喇格衍射下的最大衍射效率。在线性光学的范畴内，衍射光的光强I正比于入射光的光强I.,通常借助它di们的比值“衍射效率”耳来表征衍射光的光强I :d耳三I /Idi布喇格衍射下的最大衍射效率二I /I ,其中I为未发生声光衍射时“0级1 0 0光”的强度，I为发生声光衍射后1级光的强度，则最大衍射效率为1I 0.576nB二厂二晋98显58. 8%。理论上来说，布喇格衍射效率可以达到100%，远大0于喇曼-纳斯衍射最大衍射效率仅为 34%，所以实用的声光器件一般都采用布喇格衍射,而喇曼-纳斯衍射目前已较少被应用。4 本实验可能造成误差的方面1. 用底座的刻度尺作为 L 的长度测量工具，会由于精度不够而带来误差；2. 测量者对测量的主观判断造成的误差；3. 外部噪声和灯光对实验仪器形成干扰；4. 实验中，仪器的调节不到位。5 实验探究结论本文旨在熟悉喇曼-纳斯衍射及布喇格衍射的实验条件和特点的基础上，通过对声 光器件0级和1级衍射光的距离和超声波功率的测量，绘制出声光偏转曲线和声光调制 曲线，进而求出声光衍射最大效率。通过实验测量可知，实验结果与理论分析基本一致。参考文献1 俞宽新,丁晓红，庞兆广声光原理与声光器件M.北京:科学出版社,2011.153-159.2 沈常宇，金尚忠.光学原理M.清华大学出版社,2013.210-211.3 赵达尊，方俊永.高等光学教程M.北京理工大学出版社,2009.181.4 薛永峰.声光效应实验研究J.西安文理学院学报,2005,8(2):47-49.5 王同科，张东丽,王彩华.Ma thema tica与数值分析M.清华大学出版社,2011.96-97.致谢感谢提供实验指导的老师，感谢实验小组成员的互相支持和帮助，最后感谢所有提 供参考文献的编者和作者。