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声光效应实验报告长安大学 November19 声光效应实验报告当超声波在介质中传播时,将引起介质的弹性应变作时间上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的变化。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 XX 声光效应实验报告一、实验目的 。 —纳斯衍射和布喇格衍射的实验条件和特点。 ,中心频率和带宽等的测量,加深对其概念的理解。。二、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上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的变化。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。有超声波传播着的介质如同一个相位光栅。设声光介质中的超声行波是沿у方向传播的平面纵波,其角频率为ws,波长为λs,波矢为ks。入射光为沿х方向传播的平面波,其角 1/10 图1声光衍频率为w,在介质中的波长为λ,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。由于光速大约是声波的105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。当超声波在各向同性的介质中传播时,微小应变引起的折射率的变化为 1 ?n??n3PS0 2 设光束垂直入射通过厚度为L的介质,则前后两点的相位差为???k0n?y,t?L???0???sin??st?ksy? 当光束斜入射时,如果声光作用的距离满足L<λ 2S /2λ,则各级衍射极大的方位角θm由下式决定。布喇格角满足称为布喇格条件。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φ为??2iB? ??0 ?f?snvss 式中,νS为超声波波速,fS为超声波频率 2/10 在布喇格衍射的情况下,一级衍射光的衍射效率为三、实验仪器声光器件,D光强分布测量仪,USB100计算机数据采集盒,模拟通信收发器,光电池盒,半导体激光器,光具座,示波器和频率计等四、实验步骤 -纳斯衍射和布喇格衍射,比较两种衍射的实验条件和特点 ,用示波器测量衍射角,先要解决“定标”的问题,D器件上多少象元,D器件位置X方向上的多少距离 。测出6—8组值,在课堂上用计算器作直线拟合求出φ和fs的相关系数。课后作φ和fs的关系曲线 ,固定超声波功率,测量衍射光相对于零级衍射光的相对强度与超声波频率的关系曲线,并定出声光器件的带宽和中心频率。 ,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,测出衍射光强度与超声波功率,并作出其声光调制关系曲线五、D的长度是,D的距离约为26cm,激光的频率为??650nm1、求声光介质中行波频率fs与1级衍射光偏转角?的关系根据公式??arctan D实际宽度可以 D在示波器上的距离?D的距离 3/10 出偏转角?角的大小先大致判断声光介质中行波频率fs与1级衍射光偏转角?的关系是线性正相关的,因此用最小二乘法进行线性拟合。假设两者有 f?a?b?的关系。列出误差方程 vi?fi?型衍射;当超声波频率较低时,产生喇曼―奈斯型衍射。 Bragg衍射相当于体光栅情况,而Raman-Nath衍射相当于薄光栅情况。两种光栅情况如图1所示。由于光波速度远大于声波速度约105倍,所以在光波通过介质的时间内,介质在空间上的周期变化可看成是固定的。对于Bragg衍射,当声光的距离满足L?2?2而且s,入射光束相对于超声波波面以θ角斜入射时,入射光满足Bragg条件 2?ssin?? ? n (1) 式中λ为光波的波长,固体介质的折射率为n。Bragg?s为声波的波长,衍射只存在1级的衍射光。当声波为声行波时,只有+1级或-1级衍射光,如图2所示。当声波为声驻波时,±1级衍射光同时存在,而且衍射效率极高。只要超声功率足够高,Bragg衍射效率可达到100%。所以实用的声光器件一般都采用Bragg衍射。而对于Raman-Nath衍射,满足条件sin???m ? ?s (2) 时出现衍射极大。式中m为衍射级数。 Raman-Nath衍射效率低于Bragg衍射效率。其中1级衍射光的衍射效率I1I0最大不超过35%,但这种衍射没有Bragg条件的限制, 所以对入射角要求不严格,调整方便。图一声光效应示意图图二对于布拉格衍射 Bragg衍射,当Bragg角θ很小时,衍射光相对于入射光的偏转角Φ为??2?? ?? ?0fs?snvs 式中vs为超声波的波速,fs为超声波的频率。在Bragg衍射下,一级衍射的光衍射效率为??sin2? ????0? M2LPs 2H ? ??? 式中Ps为超声波的功率,L和H为超声换能器的长和宽,M2为反映声