近代物理实验之声光效应

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1、声光效应年级专业中山大学08光信息科学与技术实验者曾令宇08323045合作者冯劼08323034日期2010.10.26/2010.11.2【实验目的】1理解声光效应的原理，了解Raman-Nath衍射和Bragg衍射的分别。2通过对声光器件衍射效率，中心频率和带宽等的测量，加深对其概念的理解。3测量声光偏转和声光调制曲线。4模拟激光通讯实验。【实验原理】（一）声光效应的物理本质——光弹效应介质的光学性质通常用折射率椭球方程描述ηijxixj=1Pockels效应：介质中存在声场，介质内部就受到应力，发生声应变，从而引起介质光学性质发生变

2、化，这种变化反映在介质光折射率的或者折射率椭球方程系数的变化上。在一级近似下，有∆ηij=PijklSkl各向同性介质中声纵波的情况，折射率n和光弹系数P都可以看作常量，得，应变表示在x方向传播的声应变波，S0是应变的幅值，是介质中的声波数，为角频率，vs为介质中声速，为声波长。P表示单位应变所应起的的变化，为光弹系数。又得，其中是“声致折射率变化”的幅值。考虑如图一的情况，压电换能器将驱动信号U（t）转换成声信号，入射平面波与声波在介质中（共面）相遇，当光通过线度为l的声光互作用介质时，其相位改变为：其中为真空中光波数，是真空中的光波长，

3、为光通过不存在超声波的介质后的位相滞后，项为由于介质中存在超声波而引起的光的附加位相延迟。它在x方向周期性的变化，犹如光栅一般，故称为位相光栅。这就使得光的波阵面由原先的平面变为周期性的位相绉折，改变了光的传播方向，也就产生了所谓的衍射。与此同时，光强分布在时间和空间上又做重新分配，也就是衍射光强受到了声调制。图1超声波引起的位相光栅对入射光的衍射（二）声光光偏转和光平移把入射单色平面光波近似看作光子和声子。声光相互作用可以归结为光子和声子的弹性碰撞，这种碰撞应当遵守动量守恒和能量守恒定律，前者导致光偏转，后者导致光频移。这种碰撞存在着两种

4、可能的情况——即声子的吸收过程和声子的受激发射过程，在声子吸收的情况下，每产生一个衍射光子，需要吸收一个声子。在声子受激发射的情况下，一个入射声子激发一个散射光子和另一个与之具有相同动量和能量的声子的发射。入射光和衍射光处于相同的偏振状态，相应的折射率相同，称为正常声光效应。在正常声光作用情况下，，从而，有，称为Bragg角，于是（Bragg条件）与描述X光晶格衍射的Bragg定律得对比，λ相当于介质中X光波长，Λ相当于晶格常数，所以人们沿用这一名称，称为Bragg条件。满足Bragg条件是，只有唯一的衍射级，上移或下移，但不同时存在。衍射

5、光相对于入色光的偏转角或其中是与声频变化范围相应的衍射光扫过的角度。通常把衍射光强从极大值下降3dB所相应的频宽定义作半功率带宽或Bragg带宽，记作。此外还存在另一类所谓Raman-Nath衍射。图2Bragg衍射的示意图相当于一个入射光子连续同几个声子相互作用的情形。有上标（m）表示m级衍射，m取正，负整数值。同样可近似认为，于是有从光栅角度来说，Raman-Nath衍射，使当超声频率较低，光线平行于声波面入射时，当光波通过声光介质时，几乎不经过声波波面，因此它只受到相位调制，声波的作用可视为一个平面相位光栅。故平行入射光束通过时，将产

6、生多级衍射光。而Bragg衍射，是当超声频率较高，声光作用长度L较大，而且光束与声波面间以一定角度写入射，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不能用平面相位光栅来描述。Raman-Nath衍射是多级衍射。图3Raman-Nathy衍射的示意图（三）衍射效率在Raman-Nath近似下，即k2L2k≪2π其中L为声光互作用长度。第m级衍射光的振幅为Emy=E0exp-j12mKytgθiJm{2ζysincKL2cosθisinθi+mKk}m级衍射效率即m级衍射光强同入射光强之比为ηRm=ImI0=EmLE*LE00E*0=

7、Jm22ζsincKL2cosθisinθi+mKk其中E0为入射光振幅，ζ=14ε1ε0Kcosθi，ε0为介质中无声场时的介电常数，ε1为声致介电常数变化的幅值。Bragg衍射效率即1级衍射光强同入射光强之比：ηB=I1I0=E1LE*LE0LE*L=(ζσ)2sin2σL=(ζL)2sinc2σL其中σ2=(β12)2+ζ2。当β1=Kcosθisinθi+K2k=0即θi=-θB时σ=ζ则ηB=sin2ζL注意到ζ的表达式及ε1ε0≈∆ωω=∆nn及∆n=12n3PS，声功率Pa=12E

8、S

9、2vsLH其中杨氏模量E=ρvs2，LH

10、是压电换能器的面积，故ηB=sin2π2λ0cosθiM2PaLH其中M2=n2P2/ρvs是物质常数。理论上布喇格衍射的衍射效率可达到100%，喇曼-纳斯衍射中一级衍射光的最大