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1、物理与信息工程系实验（预习）报告实验课程： 物理设计与研究性实验 实验项目： 晶体的声光效应实验 专业 12 级 第 组 姓名 学号 实验日期： 年 月 日 气温 气压 、实验目的：1了解声光效应的原理。2了解布喇格衍射的实验条件和特点。3测量声光声光器件衍射效率。、实验仪器F-SG1080 型声光效应实验仪、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。超声波传播时，如前进波被一个平面反射，会反向传播。在一定条件下前进波与反射
2、波可以形成驻波。由于驻波小振幅可以达到单一行波的两倍，加剧了波源和和反射面之间的的疏密程度，某时刻，驻波的任一波节两边的质点都涌向这一点，使该节点附近形成密集区，而相邻波节处为质点稀疏处；半个周期后，这个节点附近的质点向两边散开形成稀疏区，而相邻波节处变为密集区。设声光介质中的超声行波是沿 方向传播的平面纵波，其角频率为 ，波y sw长为 波矢为 。入射光为沿 方向传播的平面波，其角频率为 ，在介质中sskx的波长为 ，波矢为 。介质内的弹性应变也以行波形式随声波一起传播。由于光速大约是声速的 倍，在光波通过的时间内介质在空间上的周期变化可看510成是固定的。预习报告成绩实验报告成绩指 导 教
3、 师y x 2L2L 2b kk o图 1 声光衍射由于应变而引起的介质的折射率的变化由下式决定（1）PSn)1(2式中， 为介质折射率， 为应变， 为光弹系数。通常， 和 为二阶张量。n PS当声波在各项同性介质中传播时， 和 可作为标量处理，如前所述，应变也以行波形式传播，所以可写成（2）)sin(0yktwSs当应变较小时，折射率作为 和 的函数可写作y（3）)i(),(0tts式中， 为无超声波时的介质的折射率， 为声波折射率变化的幅值，由0nn（1）式可求出 0321PS设光束垂直入射（ ）并通过厚度为 的介质，则前后两点的相位差为ks L（4）)sin(),(00 yktwknty
4、s式中， 为入射光在真空中的波矢的大小，右边第一项 为不存在超声波时0k 0光波在介质前后两点的相位差，第二项为超声波引起的附加相位差（相位调制） ，。可见，当平面光波入射在介质的前界面上时，超声波使出射光波nL的波振面变为周期变化的皱折波面，从而改变出射光的传播特性，使光产生衍射。设入射面上 的光振动为 ， 为一常数，也可以是复数。考虑2xitiEAe到在出射面 上各点相位的改变和调制，在 平面内离出射面很远一点的Lxy衍射光叠加结果为 00(,)sin2biwtknytkyEAed写成等式时，0sin()sin2ssbikywtikyiwtCeeed （5）式中， 为光束宽度， 为衍射角，
5、 为与 有关的常数，为了简单可取为实bA数。利用一与贝塞耳函数有关的恒等式sin()a immeJae 式中 为（第一类） 阶贝塞耳函数，将（5）式展开并积分得()mJa0sin(sin)/2()()sbmkiwtmECbJe（6）上式中与第 级衍射有关的项为（7）()0siwmtmEe（8）00nin)/2)(sbkCbJ因为函数 在 取极大值，因此有衍射极大的方位角 由下式决定：sin/x m（9）00sismsk式中， 为真空中光的波长， 为介质中超声波的波长。与一般的光栅方程相0s比可知，超声波引起的有应变的介质相当于一光栅常数为超声波长的光栅。由（7）式可知，第 级衍射光的频率 为m
6、w（10）s可见，衍射光仍然是单色光，但发生了频移。由于 ，这种频移是很小的。sw?第 m 级衍射极大的强度 可用（7）式模数平方表示：mI（11）*20()()mECbJ式中， 为 的共轭复数，*0E20I第 级衍射极大的衍射效率 定义为第 级衍射光的强度与入射光的强度m之比。由（11）式可知， 正比于 。当 为整数时，2()J。由（9）式和（11）式表明，各级衍射光相对于零级对称()1()mJaJa分布。、 实 验 内 容 和 数 据 记 录（1） 声光偏转角的测量利用游标卡尺在距声光调制器 L 长度的接收屏幕上，测量 1 级与 1 级光点之间的距离 d。选取不同的 Li，测量相应的 di
7、。实验的数据记录如下表：（2） 声光效率的测定改变声光调制器的驱动电源 U，分别测出 0 级衍射光功率 Po 和 1 级衍射光功率 P1，实验的数据记录如下表：电压值 U（V） 0 级光的功率P0（mW）1 级光的功率P1（mW）衍射效率=P1/P0【注意事项】1 实验仪器娇贵，调节过程中不可操之过急，应耐心认真调节。声光器件尤为贵重，注意保护。2 不能将功率信号源的输出功率长时间处于最大输出功率状态，以免烧坏。3 在观察和测量以前，应将整个光学系统调至共轴。4 实验结束后，应先关闭各仪器电源，再关闭总电源，以免损坏仪器。次数 声光调制器到接收屏的距离 L（mm） 0 级光与 1 级光的偏转距离d（mm） (rad)=d/L4006008001000
