文档介绍：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。
实验目的
了解声光效应的原理;
测量声光器件的衍射效率和带宽及对光偏转的研究;
利用声光效应测量声波在介质中的传播速度。
实验仪器
He-Ne激光电源,D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,而且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
式中λ为光波的波长,为声波的波长,固体介质的折射率为n。Bragg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
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θ很小时,衍射光相对于入射光的偏转角Φ为
(3)
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
(4)
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
光介质本身性质的一常数,,ρ为介质密度,P为光弹系数。
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衍射
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,通过改变超声
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。
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