聲光效應(yīng)與聲光調(diào)制原理實驗.doc

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1、【實驗名稱】聲光效應(yīng)與聲光調(diào)制綜合實驗利用聲光效應(yīng)實現(xiàn)光輻射的調(diào)制在光通信、光信息處理、光測量與控制、激光調(diào)Q和鎖模等方面有著重要的應(yīng)用，【實驗目的】1.了解聲光相互作用的原理和實質(zhì)2.掌握喇曼－奈斯和布拉格衍射的基本原理和工作特性3.利用喇曼－奈斯衍射測量聲波波長和通過測量各階衍射強度驗證理論的正確性4.5.掌握利用聲光調(diào)制器傳送信號的基本方法【實驗原理】1.彈光效應(yīng)與彈光系數(shù)聲光效應(yīng)指聲波對光的衍射現(xiàn)象。若有一超聲波通過某種均勻介質(zhì)，介質(zhì)材料在外力作用下發(fā)生形變，分子間因相互作用力發(fā)生改變而產(chǎn)生相對位移，將引起介質(zhì)內(nèi)部密度的起伏或周期變化，密度大的地方折射率

2、大，密度小的地方折射率小，即介質(zhì)折射率發(fā)生周期性改變。這種由于外力作用而引起介質(zhì)折射率變化的現(xiàn)象稱為彈光效應(yīng)。當光波橫向通過介質(zhì)時，介質(zhì)對光的作用相當于一個衍射光柵，光柵條紋的間隔等于超聲波的波長，它將使光束發(fā)生偏轉(zhuǎn)，這種在聲波場作用下產(chǎn)生的對光波場的調(diào)制現(xiàn)象則稱為聲光效應(yīng)。由物理光學，因彈性應(yīng)變作用導致折射率的改變量是（1）相應(yīng)的折射率橢球方程（2）其中是應(yīng)變張量矩陣元，是四階張量應(yīng)變彈光系數(shù)張量。的具體形式是（3）式中表示位置矢量處的某點相對平衡位置的偏移在方向上的投影。由于彈光效應(yīng)也是一種二次非線性電極化過程，于是由（4a）得到（4b）因此，在光電場同時存

3、在的情況下，由應(yīng)變引起的電極化改變量為（5）此式給出了電極化場與光電場和應(yīng)變場之間的關(guān)系，明確表示出彈光效應(yīng)是一種非線性效應(yīng)，其實質(zhì)就是兩個不同頻率光波和一個聲波相互作用的過程。一般情況下，和均是對稱二階張量，因此應(yīng)變和彈光系數(shù)可做下標簡化，分別改寫為和。于是可將（1）式寫成如下矩陣形式（6）上式彈光系數(shù)張量中在對稱性的限制下，實際的獨立元素數(shù)目會有所減少。2.聲光相互作用當聲波通過介質(zhì)傳播時，介質(zhì)就會產(chǎn)生和聲波信號相應(yīng)的、隨時間和空間周期性變化的彈性形變，導致介質(zhì)折射率的周期性變化。這部分受擾動的介質(zhì)等效為一個“相位光柵”，其光柵常數(shù)就是聲波波長，這種光柵稱為

4、超聲光柵。聲波在介質(zhì)中傳播時，有行波和駐波兩種形式。特點是：行波場形成的超生光柵的柵面在空間時移動的，而駐波場形成的超生光柵柵面是駐立不動的。首先考慮行波的情況，設(shè)平面縱聲波在介質(zhì)中沿x方向傳播，聲波擾動介質(zhì)中的質(zhì)點位移可寫成（7）是質(zhì)點振動的振幅，是聲波頻率，是聲波波矢量的模。相應(yīng)的應(yīng)變場是(8)對各向同性介質(zhì)，折射率分布為(9)聲行波在某一瞬時對介質(zhì)的作用情況如圖1所示。圖中密集區(qū)（黑）表示介質(zhì)受的壓縮，密度增大，相應(yīng)的折射率也增大;稀疏區(qū)（白）表示介質(zhì)密度變小，折射率減小。介質(zhì)折射率增大或減小呈現(xiàn)交替變化，變化的周期是聲波周期，同時又以聲速向前傳播。圖1聲

5、行波形成的超聲光柵對于駐波的情況，考慮兩個相向傳播的同頻聲行波的疊加，質(zhì)點位移可以寫成(10)而介質(zhì)折射率為(11)因駐波效應(yīng)(11)式中的應(yīng)是(9)式的2倍。圖2給出了生駐波情況下介質(zhì)折射率的變化情況，其中在和圖中的曲線表示左、右行波。從圖中可見，聲波在一個周期之內(nèi)，介質(zhì)呈現(xiàn)兩層疏密層結(jié)構(gòu)，在波節(jié)處介質(zhì)密度保持不變，因而在波腹處折射率每隔半個周期就變化一次。這樣，作為超聲光柵，它將交替出現(xiàn)和消失，其交替變化的頻率為原駐波周期的二倍，即。圖2.聲駐波形成的超聲光柵下面我們從量子角度分析聲波場與光波場間的相互作用。當一束單色光通過因彈光效應(yīng)導致折射率發(fā)生周期性變化

6、的介質(zhì)時，光波要受到聲波的調(diào)制。從波粒二象性角度看，可以把波矢為、頻率為的聲波看成是動量為、能量為的聲子流；而將波矢為，頻率為的光波看成是動量為,能量為的光子流。聲光的相互作用可認為是聲子與光子單個碰撞的綜合效應(yīng)。一個入射光子同一個聲子碰撞，產(chǎn)生一個衍射光子，導致入射光和聲子的湮滅。在這個碰撞中，要求滿足動量守恒和能量守恒，所以衍射光子的動量和能量必定要分別等于入射光子和聲子的動量總和和能量總和。于是有（12）取正號時，對應(yīng)一個能量為,動量為的入射光子和一個能量為,動量為的聲子的湮滅，同時產(chǎn)生一個能量為,動量為的衍射光子。取負號時,正好反之。按超聲波頻率的高低和

7、聲光作用的超聲場長度的大小，聲光衍射現(xiàn)象可分為兩類，即喇曼－奈斯衍射（Ram-Nath）和布拉格（Bragg）衍射。為了量化區(qū)分，引入物理量，這里是入射波長，是聲波波長，是聲光相互作用的長度。當<<1時，聲波波長較大，較小，屬于喇曼-奈斯衍射，工程上一般在0.3時，可以觀測到喇曼-奈斯聲光衍射；>>1時，聲波波長較小，較大,屬于布拉格衍射，工程上一般在4π時可以觀測到布拉格聲光衍射；當時，衍射較復雜，聲光器件無法工作。3.喇曼—奈斯衍射若聲波頻率較低，因聲波比光速小的多，在聲波通過介質(zhì)的時間內(nèi)，折射率的變化忽略不計；另外，聲波束寬度較窄，即聲光介質(zhì)的通光厚度很薄

8、如同平面。因此，此時的聲