实验一---声光调制实验

实验一声光调制实验早在本世纪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衍射现象的研究提供了良好的光源，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应用。声光效应已广泛应用于声学、光学和光电子学。近年来，随着声光技术的不断发展，人们已广泛地开始采用声光器件在激光腔内进行锁膜或作为连续器件的Q开关。由于声光器件具有输入电压低驱动功率小、温度稳定性好、能承受较大光功率、光学系统简单、响应时间快、控制方便等优点，加之新一代的优质声光材料的发现，使声光器件具有良好的发展前景，它将不断地满足工业、科学、军事等方面的需求。一、实验目的1、掌握声光调制的基本原理。2、了解声光器件的工作原理。3、了解布拉格声光衍射和拉曼—奈斯声光衍射的区别。4、观察布拉格声光衍射现象。二、实验原理（一）声光调制的物理基础1、弹光效应若有一超声波通过某种均匀介质，介质材料在外力作用下发生形变，分子间因相互作用力发生改变而产生相对位移，将引起介质内部密度的起伏或周期性变化，密度大的地方折射率大，密度小的地方折射率小，即介质折射率发生周期性改变。这种由于外力作用而引起折射率变化的现象称为弹光效应。弹光效应存在于一切物质。2、声光栅当声波通过介质传播时，介质就会产生和声波信号相应的、随时间和空间周期性变化的相位。这部分受扰动的介质等效为一个“相位光栅”。其光栅常数就是声波波长λs，这种光栅称为超声光栅。声波在介质中传播时，有行波和驻波两种形式。特点是行波形成的超声光栅的栅面在空间是移动的，而驻波场形成的超声光栅栅面是驻立不动的。当超声波传播到声光晶体时，它由一端传向另一端。到达另一端时，如果遇到吸声物质，超声波将被吸声物质吸收，而在声光晶体中形成行波。由于机械波的压缩和伸长作用，则在声光晶体中形成行波式的疏密相间的构造，也就是行波形式的光栅。当超声波传播到声光晶体时，它由一端传向另一端。如果遇见反声物质，超声波将被反声物质反射，在返回途中和入射波叠加而在声光晶体中形成驻波。由于机械波压缩伸长作用，在声光晶体中形成驻波形式的疏密相同的构造，也就是驻波形式的光栅。首先考虑行波的情况，设平面纵声波在介质中沿x方向传播，声波扰动介质中的质点位移可写成xktuusscos01(1)μ0是质点振动的振幅，ωs是声波频率，ks是声波波矢量的模。相应的应变场是xktkuxuSssssin01(2)对各向同性介质，折射率分布为xktnntxnsssin,(3)声行波在某一瞬间是对介质的作用情况如图1所示。图中密集区（黑）表示介质受到压缩，密度增大，相应的折射率也增大；稀疏区（白）表示介质密度变小，折射率减小。介质折射率n增大或减小呈现交替变化，变化周期是声波周期，同时又以声速ssskv向前传播。图1声行波形成的超声光栅对于驻波的情况，考虑两个相向传播的同频声行波的叠加，质点位移可以写成)sin()cos(201txkuuss(4)而介质折射率为)sin()sin(,txknntxnss(5)图2声驻波形成的超声光栅因驻波效应(5)式中的n应是(3)式的2倍。图2给出了声驻波情况下介质折射率的变化情况，其中在图中的曲线t+Ts/4和t+3Ts/4表示左、右行波。从图中可见，声波在一个周期Ts之内，介质呈现两层疏密层结构，在波节处介质密度保持不变，因而在波腹处折射率每隔半个周期Ts/2就变化一次。这样，作为超声光栅，它将交替出现和消失，其交替变化的频率为原驻波周期的二倍，即2ωs。3、声光效应声光效应是指光波在介质中传播时，被超声波场衍射或散射的现象。由于声波是一种弹性波，声波在介质中传播会产生弹性应力或应变，这种现象称为弹光效应。介质弹性形变导致介质密度交替变化，从而引起介质折射率的周期变化，并形成折射率光栅。当光波在介质中传播时，就会发生衍射现象，衍射光的强度、频率和方向等将随着超生场的变化而变化。声光调制就是基于这种效应来实现其光调制及光偏转的。4、声光衍射分类根据声波频率的高低和声光作用的超声场长度的大小的不同，声光效应可以分为拉曼－奈斯声光(Ram-Nath)衍射和布拉格(Bragg)衍射两种。（1）区分拉曼－奈斯衍射和布拉格衍射的定量标准：从理论上说，拉曼－奈斯衍射和布拉格衍射是在改变声光衍射参数时出现的两种极端情况。影响出现两种衍射情况的主要参数是声波长、光束入射角1及声光作用距离L。为了给出区分两种衍射的定量标准，特引入参数G来表征22/cos2/cossisiGkLkL(6)当L小且λs大(G1)时，为拉曼－奈斯衍射；而当L大且λs小(G1)时，为布拉格衍射。为了寻求一个实用标准，即当G参数大到一定值后，除0级和+1级外，其他各级衍射光的强度都很小，可以忽略不计。达到这种情况时即认为已进入布拉格衍射区。经过多年的实践，现已普遍采用下列定量标准：(a)G≥4π时为布拉格衍射区(b)G＜π时为拉曼－奈斯衍射区为便于应用，又引入量L0=λscosθi/λ≈λs2/λ，则G=2πL/L0。因此，上面的定量标准可以写成：(a)L≥2L0为布拉格衍射区(b)L≤L0/2为拉曼－奈斯衍射区式中，L0称为声光器件的特征长度。引入了参数L0可使器件的设计十分简便。由于λs=νs/ƒs和λ=λ0/n，故L0不仅与介质的性质（νs和n）有关，而且与工作条件（ƒs和λ0）有关。事实上，L0反映了声光互作用的主要特征。产生条件上的区别：表1拉曼-奈斯衍射和布拉格衍射产生条件上的区别拉曼-奈斯衍射布拉格衍射声光作用长度较短声光作用长度较长超声波的频率较低超声波的频率较高光波垂直于声场传播的方向光束与声波波面间以一定的角度斜入射此时的声光晶体相当于一个“平面光栅”此时的声光晶体相当于一个“立体光栅”现象上的区别:(1)拉曼-奈斯声光衍射拉曼-奈斯声光衍射的结果，使光波在原场分成一组衍射光，它们分别对应于确定的衍射角θm（即传播方向）和衍射强度，这一组光是离散型的。各级衍射光对称的分布在零级衍射光两侧，且同级次衍射光的强度相等。这是拉曼-奈斯衍射的主要特征之一。另外，无吸收时衍射光各级极值光强之和等于入射光强，即光功率是守恒的。（2）布拉格声光衍射如果声波频率较高，且声光作用长度较大，此时的声扰动介质也不再等效于平面位相光栅，而形成了立体位相光栅。这时，相对声波方向以一定角度入射的光波，其衍射光在介质内相互干涉，使高级衍射光相互抵消，只出现0级和1级的衍射光，简言之，我们在屏上观察到的是0级光斑和+1级光非常亮或者0级光斑和-1级光很亮，而其它各级的光强却非常弱。（二）声光调制原理1、声光调制器的组成声光调制其实由声光介质、电-声换能器、吸声（或反射）装置、耦合介质及驱动电源等所组成。如图3所示：~入射光54231图3声光调制器(1)声光介质声光介质是声光互作用的场所。当一束光通过变化的超声场时，由于光和超声场的作用，其出射光就具有随时间变化的各级衍射光，利用衍射光的强度随超声波强度的变化而变化的性质，就可以制成光强度调制器。(2)电-声换能器（又称超声发生器）它是利用某些压电晶体（石英、LiNbO3等）或压电半导体（CdS，ZnO等）的反压电效应，在外加电场作用下产生机械振动而形成超声波，所以它起着将电功率转换成声功率的作用。(3)吸声（或反射）装置它放置在超声元的对面，用以吸收已通过介质的声波（工作于行波状态），以免返回介质产生干扰，但要使超声场工作在驻波状态，则需要将吸声装置换成声反射装置。(4)驱动电源它用以产生调制电信号施加于电-声换能器的两端电极上，驱动声光调制器（换能器）工作。(5)耦合介质为了能较小损耗地将超声能量传递到声光介质中去，换能器的声阻抗应该尽量接近介质的声阻抗，这样可以减小两者接触界面的反射损耗。实际上，调制器都是在两者之间加一过渡层耦合介质，它起三个作用：低损耗传能，粘结和电极的作用。声光调制是利用声光效应将信息加载于光频载波上的一种物理过程。调制信号是以电信号（调幅）形式作用于电声换能器上而转化为以电信号形式变化的超声场，当光波通过声光介质时，由于声光作用，使光载波受到调制而成为“携带”信息的强度调制波。2、布拉格声光调制如果声波频率较高，且声光作用长度较大，而且光束与声波波面间以一定的角度斜入射时，光波在介质中要穿过多个声波面，故介质具有“体光栅”的性质。当入射光与声波面间夹角满足一定条件时，介质内各级衍射光将互相抵消，只出现0级和1级衍射光，即产生布拉格声光衍射，如图4所示。因此，若能合理选择参数，超声场足够强，可使入射光能量几乎全部转移到+1级和-1级衍射极值上。因而光束能量可以得到充分利用，因此，利用布拉格衍射效应制成的声光器件可以获得较高的效率。λ声波入射光ω衍射光非衍射光2θω1+ω图4布拉格声光衍射下面从波的干涉加强条件来推导布拉格方程。为此，可把声波通过的介质近似看作许多相距λs的部分反射、部分透射的镜面。对于行波场，这些镜面将以速度νs沿x方向移动（因为ωmωc所以在某一瞬间，超声场可近似看成是静止的，因而对衍射光的分布没影响）。对驻波超声场则完全是不动的。当平面波以θi入射至声波场，在B、C、E各点处部分反射，产生衍射光。各衍射光相干增强的条件是它们之间的光程差应为其波长的整数倍，或者说必须同相位。图5表示在同一镜面上的衍射情况，入射光在B、C点的反射光同相位的条件必须使光程差AC-BD等于光波波长的整数倍，即(coscos)idxmn(0,1)m(7)要使声波面上所有点同时满足这以条件，只有使id(8)即入射角等于衍射角才能实现。对于相距λs的两个不同的镜面上的衍射情况，由上下面反射的反射光具有同相位的条件，其光程差FE+EG必须等于光波波长的整数倍，即(coscos)sidn(9)考虑到id，所以2sinBn或sin22Bsssfnnv(10)式中，θi=θd=θB，θB称为布拉格角。可见，只有入射角等于布拉格角θB时，在声波面上的光波才具有同相位，满足相干加强的条件，得到衍射极值，上式称为布拉格方程。由于发生布拉格声光衍射时，声光相互作用长度较大，属于体光栅情况。理论分析表明，在声波场的作用下入射光和衍射光之间存在如下关系)sin()0()()cos()0()(''rkiErErkErEijijijii(11)式中Ei和Ej分别为入射和衍射光场，这为我们描述两个光场的能量转换效率提供方便。定义：在作用距离L处衍射光强和入射光强之比为声光衍射效率，即)(sin)0()(2LkILIijij(12)由于ijklijklijnnSpn3221，注意到klijklijSpnk23＝)(ijn。因此，(12)式可写为)2(sin)(sin22Lnij(13)式中Δф是传播距离L后位相改变量。引入有效弹光系数pe和有效应变Se，eeijSpnn321(14)其中有效应变Se同声波场强度Is的关系是212ssevIS(15)式中sv是声速，是介质密度。于是(13)式写成2122132622sin2sinsseMILvpnL(16)或212sin2ssiILMPIH(17)式中，6223snPMv2M，是声光介质的物理参数组合，是由介质本身性质决定的量，称为声光材料的品质因数(或声光优质指标)，它是选择声光介质的主要指标之一。从(17)式可见：(a)若在超声功率Ps一定的情况下，欲使衍射光强尽量大，则要求选择M2大的材料，并且，把换能器做成长面较窄（即L大H小）的形式；(b)如果超声功率