晶体的声光效应实验(设计与研究性实验)

物理与信息工程系实验（预习）报告实验课程：物理设计与研究性实验实验项目：晶体的声光效应实验专业12级第组姓名学号实验日期：年月日气温气压一、实验目的：1．了解声光效应的原理。2．了解布喇格衍射的实验条件和特点。3．测量声光声光器件衍射效率。二、实验仪器F-SG1080型声光效应实验仪三、实验原理当超声波在介质中传播时，将引起介质的弹性应变作时间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。有超声波传播的介质如同一个相位光栅。超声波传播时，如前进波被一个平面反射，会反向传播。在一定条件下前进波与反射波可以形成驻波。由于驻波小振幅可以达到单一行波的两倍，加剧了波源和和反射面之间的的疏密程度，某时刻，驻波的任一波节两边的质点都涌向这一点，使该节点附近形成密集区，而相邻波节处为质点稀疏处；半个周期后，这个节点附近的质点向两边散开形成稀疏区，而相邻波节处变为密集区。设声光介质中的超声行波是沿y方向传播的平面纵波，其角频率为sw，波长为s波矢为sk。入射光为沿x方向传播的平面波，其角频率为w，在介质中的波长为，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。由于光速大约是声速的510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。预习报告成绩实验报告成绩指导教师yx2L2L2bkko图1声光衍射由于应变而引起的介质的折射率的变化由下式决定PSn)1(2（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。当声波在各项同性介质中传播时，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)sin(0yktwSSss（2）当应变较小时，折射率作为y和t的函数可写作)sin(),(0yktwnntynss（3）式中，0n为无超声波时的介质的折射率，n为声波折射率变化的幅值，由（1）式可求出0321PSnn设光束垂直入射（k⊥sk）并通过厚度为L的介质，则前后两点的相位差为)sin(),(0000yktwnLkLnkLtynkss（4）0sin()sswtky式中，0k为入射光在真空中的波矢的大小，右边第一项0为不存在超声波时光波在介质前后两点的相位差，第二项为超声波引起的附加相位差（相位调制），0knL。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振面变为周期变化的皱折波面，从而改变出射光的传播特性，使光产生衍射。设入射面上2Lx的光振动为itiEAe，A为一常数，也可以是复数。考虑到在出射面2Lx上各点相位的改变和调制，在xy平面内离出射面很远一点的衍射光叠加结果为00[((,)sin]22biwtknytkybEAedy写成等式时，0sin()sin22ssbikywtikyiwtbECeeedy（5）式中，b为光束宽度，为衍射角，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sin()iaimmmeJae式中()mJa为（第一类）m阶贝塞耳函数，将（5）式展开并积分得00sin[(sin)/2]()(sin)/2()sssbmkkiwmwtbmkkmmECbJe（6）上式中与第m级衍射有关的项为()0siwmwtmEEe（7）000sin[(sin)/2]()(sin)/2smsbmkkECbJbmkk（8）因为函数sin/xx在0x取极大值，因此有衍射极大的方位角m由下式决定：00sinsmskmmk（9）式中，0为真空中光的波长，s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mw为mswwmw（10）可见，衍射光仍然是单色光，但发生了频移。由于sww，这种频移是很小的。第m级衍射极大的强度mI可用（7）式模数平方表示：*2220020()()mmmIEECbJIJ（11）式中，*0E为0E的共轭复数，220ICb第m级衍射极大的衍射效率m定义为第m级衍射光的强度与入射光的强度之比。由（11）式可知，m正比于2()mJ。当m为整数时，()(1)()mmmJaJa。由（9）式和（11）式表明，各级衍射光相对于零级对称分布。四、实验内容和数据记录（1）声光偏转角的测量利用游标卡尺在距声光调制器L长度的接收屏幕上，测量1级与1级光点之间的距离d。选取不同的Li，测量相应的di。实验的数据记录如下表：（2）声光效率的测定改变声光调制器的驱动电源U，分别测出0级衍射光功率Po和1级衍射光功率P1，实验的数据记录如下表：电压值U（V）0级光的功率P0（mW）1级光的功率P1（mW）衍射效率η=P1/P0【注意事项】1．实验仪器娇贵，调节过程中不可操之过急，应耐心认真调节。声光器件尤为贵重，注意保护。2．不能将功率信号源的输出功率长时间处于最大输出功率状态，以免烧坏。3．在观察和测量以前，应将整个光学系统调至共轴。4．实验结束后，应先关闭各仪器电源，再关闭总电源，以免损坏仪器。次数声光调制器到接收屏的距离L（mm）0级光与1级光的偏转距离d（mm）Φ(rad)=d/L4006008001000