大学物理声光效应讲义

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1、声光效应实验早在本世纪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

2、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、了解声光相互作用原理。2、观察布拉格衍射现象。3、研究声光调制和声光偏转的特性。二.实验仪器声光晶体、功率信号源、频率计、半导体激光器、示波器、CCD。三.实验原理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

3、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态。如上所述，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。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的栅面是驻立不动的。当超声波传播到声光晶体

4、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。声光效应是指光通过某一受到超声波扰动的介质时发生衍射的现象，这种现象是光波与介质中

5、声波相互作用的结果。1、布拉格声光调制我们设计的这套实验系统主要是用来完成利用布拉格衍射进行声光调制的各项实验，所以下面着重讲一下布拉格声光调制。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，这就是布拉格声光衍射，如图1所示，这种衍射形式效率较高，有利于制成各种实用器件。入射光衍射光CDθθθBxA图2入射光束在镜面上发生衍射图

6、1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ωm<<ωc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2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

7、件必须使光程差AC-BD等于光波波长的整数倍，即（1）要使声波面上所有点同时满足这以条件，只有使（2）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，其光程差必须等于光波波长的整数倍，即（3）考虑到，所以或（4）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

8、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（5）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了方便。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（6）由于，注意到＝。因此，(6)式可写为(7)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，（8）其中有效应变Se同声波场强度Is的关系是（9）式中是声速，是介质密度。于是(1)式写成（10）或（11）式中，，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