声光效应实验实验报告.docx

声光效应的研究班 级：应物21班姓 名：许达学 号：2120903018光通过某一受到超声波扰动的介质时，会发生衍射现象，这种现 象称为声光效应利用声光效应可以制成的声光器件，如声光调制器、 声光偏转器和谐调滤光器等声光效应还可用于控制激光束的频率、 方向和强度等方面在激光技术、光信号处理和集成光通讯技术等方 面有着重要的应用一、 实验目的1. 了解声光效应的原理；2 . 测量声光器件的衍射效率和带宽及对光偏转的研究；3 . 利用声光效应测量声波在介质中的传播速度二、 实验仪器He-Ne激光电源，声光器件，CCD光强分布测量仪，高频功率信 号源，示波器，频率计三、 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，这种应变在 时间上和空间上是周期性的变化，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的介质如同一个相位光栅光被弹性声波衍射有二种类型，当超声波频率较高时，产生布拉 格(Bragg)型衍射；当超声波频率较低时，产生喇曼-奈斯 (Raman-Nath )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沁九，而且 s .入射光束相对于超声波波面以8角斜入射时，入射光满足Bragg条件 九2九sin 0 = ⑴s n式中入为光波的波长,为声波的波长，固体介质的折射率为nBraggs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 0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I I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布拉格衍射对于Bragg衍射，当Bragg角8很小时，衍射光相对于入射光的偏转角①为尢 尢①=20 u = 4 f ( 3 )尢 nv ss s式中vs为超声波的波速，fs为超声波的频率。

在Bragg衍射下，一s s级衍射的光衍射效率为耳=sin 2兀 M LP ■< I 2 s九 2 H0式中Ps为超声波的功率丄和H为超声换能器的长和宽，M2为反映 光介质本身性质的一常数，M二n6P2, pv5，P为介质密度，P为光弹2 s系数以上讨论的是超声行波衍射的情况，实际上，介质中也可能出现超声驻波衍射的情况超声驻波对光的衍射也产生Raman-Nath衍和Bragg衍射，而且各衍射光的方向的方位角和超声波的频率的关系与超声行波的情况相同由（3 ）式和（4 ）式可以看出，采用Bragg衍射，通过改变超波的频率和功率，可分别实现对激光束方向的控制和强度的调制本实验是利用“远场接受”的衍射装置，如图3所示尢强分衔仪二装"A**朮激1 . 声光器件本实验采用的声光器件中的声光介质为钼酸铅，吸声材料的作用 是吸收通过介质传播到端面的超声波以建立超声行波压电换能器又 称超声发生器，是由铌酸锂压电晶体制成它的作用是将高频功率信 号源的电功率转换成声功率，并在声光介质中建立超声场声光器件有一个衍射效率最大的工作频率，此频率称为声光器件 的中心频率f ，对于其他频率的超声波，其衍射效率将降低一般 co认为衍射效率（或衍射光的相对光强）下降3dB （即衍射效率降到最 ）时两频率间的间隔为声光器件的带宽。

2 . 高频功率信号源S02000功率信号源的频率范围为80-120MHZ，最大输出功率 1W面板上的毫安表读数可作功率指示用，读数值x10等于毫瓦数3 . CCD光强分布测量仪LM601 CCD光强分布测量仪是一个线阵CCD器件，它可在同一时刻显示、测量各级衍射光的相对光强分布，不受光源强度跳变、漂移 的影响对于衍射角度的测量有很高的精度四、实验结果1•超声波频率和光相对强度的关系曲线f-I1f-II关系曲线20 40 60 80 100 120 140f （频率）6 5 4 3 2 1由图可知，拟合的曲线方程式I = —1.1x10—9 x 6 + 3.6 x10-7 x 5 — 9.2 xlO—6 x 4 — 0.01x3 +1.6099x2 — 97.893x + 21571中心频率为96MHz,带宽为32Mhz2•衍射光相对于入射光的偏转角与超声波频率的关系曲线fs-0s（d和①成正比，所以用d代替①）由图可知，d=0.106f+0.2365,在误差允许的范围内，d=0.106f ,S S所以f和d成正比，即f和①成正比S S3•衍射效率随功率变化的曲线P-I0/I1P-I0/I110/11■ 10II-多项式-多项式-多项式(10/11)(10)(II)五、误差分析和建议实验误差来源：CCD光强分布测量仪的测量精度有限和读数误实验建议：提高光强分布测试仪的精度，提供更加方便准确的 读数设备以提高读数精度等。