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1、WGX-21晶体声光效应实验仪使用说明书天津市拓普仪器有限公司目 录【概述】1一、实验目的1二、实验原理1三、实验装置及安装使用7（一）、实验装置.7（二）、仪器技术参数12 （三）、安装和使用.12四、实验内容和环节15五、思考与讨论18 声光效应实验 声光效应是指光通过某一受到超声波扰动的介质时发生衍射的现象，这种现象是光波与介质中声波互相作用的结果。早在本世纪 30 年代就开始了声光衍射的实验研究。60 年代激光器的问世为声光现象的研究提供了抱负的光源，促进了声光效应理论和应用研究的迅速发展。声光效应为控制激光束的频率、方向和强度提供了一个有效的手段。运用声光效应制成的声光器件，如声光调
2、制器、声光偏转器和可调谐滤光器等，在激光技术、光信号解决和集成光通讯技术等方面有着重要的应用。 本实验采用WGX-21型 声光效应实验仪，采用了中心频率高达 100MHz 的声光器件、100MHz 的功率信号源和分辨率达 11m 的CCD 光强分布测量仪等。一.实验目的1. 了解声光效应的原理。2. .了解喇曼纳斯衍射和布喇格衍射的实验条件和特点。3. 通过对声光器件衍射效率，中心频率和带宽等的测量，加深对其概念的理解。4. .测量声光偏转和声光调制曲线。5. .模拟激光通讯实验。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
3、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。 声光效应有正常声光效应和反常声光效应之分。在各向同性介质中，声光互相作用不导致入射光偏振状态的变化，产生正常声光效应。在各向异性介质中，声光互相作用也许导致入射光偏振状态的变化，产生反常声光效应。反常声光效应是制造高性能声光偏转器和可调滤光器的物理基础。正常声光效应可用 喇曼-纳斯的光栅假设作出解释，而反常声光效应不能用光栅假设作出说明。在非线性光学中，运用参量互相作用理论，可建立起声光互相作用的统一理论，并且运用动量匹配和失配等概念对正常和反常声光效应都可作出解释。本实验只涉及到
4、各向同性介质中的正常声光效应。 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wS ，波长为S，波矢为kS 。入射光为沿方向传播的平面波，其角频率为w，在介质中的波长为，波矢为k（如图1）。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 105倍，在光波通过的时间内介质在空间上的周期变化可 当作是固定的。由于应变而引起的介质折射率的变化 由下式决定： （1） 式中，n为介质折射率，S为应变，P为光弹系数。通常，P和S为二阶张量。当声波在各向同性介质中传播时，P和S可作为标量解决，如前所述，应变也以行波形式传播，所以可写成 （2）当应变较小时，折射率作为y和t的函数可
5、写作 （3） KSb2b2L2yKoL2图1：声光衍射式中，n0为无超声波时的介质折射率，n为声波折射率变化的幅值，由（1）式可求出 设光束垂直入射（kkS）并通过厚度为L的介质，则前后两点的相位差为 （4） 式中，k0为入射光在真空中的波矢的大小，右边第一项0为不存在超声波时光波在介质前后二点的相位差，第二项为超声波引起的附加相位差（相位调制）， = k0nL 。可见，当平面光波入射在介质的前界面上时，超声波使出射光波的波阵面变为周期变化的皱折波面，从而改变了出射光的传播特性，使光产生衍射。设入射面上 的光振动为Ei =Aei t，A为一常数，也可以是复数。考虑到在出射面上各点相位的改变和调
6、制，在xy平面内离出射面很远一点处的衍射光叠加结果写成一等式时， （5）（式中，b为光束宽度，为衍射角，C为与A有关的常数，为了简朴可取为实数。运用一与贝塞耳函数有关的恒等式式中Jm()为（第一类）m阶贝塞耳函数，将（5）式展开并积分得 （6）上式中与第m级衍射有关的项为 （7） （8）由于函数sin/在= 0 时取极大值，因此有衍射极大的方位角m由下式决定： （9）式中，0为真空中光的波长，S为介质中超声波的波长。与一般的光栅方程相比可知，超声波引起的有应变的介质相称于一光栅常数为超声波长的光栅。由（7）式可知，第m级衍射光的频率wm为wm= w-mws (10)可见，衍射光仍然是单色光，但
7、发生了频移。由于wws ,这种频移是很小的。第m级衍射极大的强度Im可用（7）式模数平方表达： (11) 式中，E*0为E0的共轭复数，I0=C2b2。 第m级衍射极大的衍射效率m定义为第m级衍射光的强度与入射光强度之比。由(11)式可知，m正比于J2m()。当m为整数时，J- m()=(-1)m Jm()。由（9）式和（11）式表白，各级衍射光相对于零级对称分布。 当光束斜入射时，假如声光作用的距离满足LS2 2，则各级衍射极大的方位角m由下式决定 (12)式中 i为入射光波矢k与超声波波面之间的夹角。上述的超声衍射称为喇曼-纳斯衍射，有超声波存在的介质起一平面相位光栅的作用。图2：布喇格衍
8、射KS+1级0级XSY = i Bi BKS0级-1级XSY= i Bi B当声光作用的距离满足L2S2，并且光束相对于超声波波面以某一角度斜入射时，在抱负情况下除了0级之外，只出现1级或者-1级衍射。如图2所示。这种衍射与晶体对X光的布喇格衍射很类似，故称为布喇格衍射。能产生这种衍射的光束入射角称为布喇格角。此时的有超声波存在的介质起体积光栅的作用。可以证明，布喇格角满足 (13)式中（13）称为布喇格条件。由于布喇格角一般都很小，故衍射光相对于入射光的偏转角为 (14)式中，S为超声波波速，fS为超声波频率，其它量的意义同前。在布喇格衍射的情况下，一级衍射光的衍射效率为 (15)式中，PS
9、为超声波功率，L和H为超声换能器的长和宽，M2为反映声光介质自身性质的一常数，M2= n6P2/S3，为介质密度，P为光弹系数。在布喇格衍射下，衍射光的频率也由（10）式决定。 理论上布喇格衍射的衍射效率可达成100%，喇曼-纳斯衍射中一级衍射光的最大衍射效率仅为34%，所以实用的声光器件一般都采用布喇格衍射。 由（14）式和（15）式可看出，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，这是声光偏转器和声光调制器的物理基础。从（10）式可知，超声光栅衍射会产生频移，因此运用声光效应还可制成频移器件。超声频移器在计量方面有重要应用，如用于激光多普勒测速仪等。以上讨论的是
10、超声行波对光波的衍射。事实上，超声驻波对光波的衍射也产生喇曼-纳斯衍射和布喇格衍射，并且各衍射光的方位角和超声频率的关系与超声行波时的相同。但是，各级衍射光不再是简朴地产生频移的单色光，而是具有多个傅里叶分量的复合光。 三.实验装置及安装使用 （一）实验装置 一套完整的声光效应实验仪配有：已安装在测角平台上的 100MHz 声光器 件、半导体激光器、100MHz 功率信号源、LM601 CCD 光强分布测量仪及光具座。每个器件都带有 12mm 的立杆，可以通过滑座安装在通用光具座上。 1.声光器件(声速V = 3632m/s,介质折射率n = 2.386)吸声材料声光介质压电换能器图3：声光器件的结构声波前进方向光波前进方向声光器件的结构示意图如图3所示。它由声光介质、压电换能器和吸声材料组成。转角平台声光器件转角平台旋转手轮图4：转角平台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取通过介质传播到端面的超声波以建立超声行波。将介质的端面磨成斜面或成牛角状，也可达成吸声的作用。压电换能器又称超声发生器，由妮酸锂晶体或其它压电材料制成
