实验四晶体声光效应实验
一、引言
当光波通过受到超声波扰动的介质时会发生衍射现象，这种现象被称为声光效应，它是光波与介质中声波相互作用的结果。声光效应可以用于控制激光束的频率、方向和强度，利用声光效应制成的各种声光器件，如声光调制器、声光偏转器和可调谐滤光器等，在激光技术、光信息处理和集成光通信技术等方面有着重要的应用。
二、实验目的
1. 掌握声光效应的原理和实验规律；
2. 观察喇曼-奈斯（Ranman—Nath）衍射的实验条件和特点；
3. 利用声光效应测量声波在介质中的传播速度；
4. 测量声光器件的衍射效率和带宽；
5. 了解声光效应在新技术中的应用；
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作时间上和空间上的周期性变化，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。根据超声波频率的高低或声光相互作用长度的长短，可以将光与弹性声波作用产生的衍射分为两种类型，即喇曼—奈斯型衍射和布拉格型衍射。
喇曼－奈斯衍射
当超声波频率较低、声光相互作用距离较小时，即
平面光波沿z轴入射，就相当于通过一个相位光栅，将产生喇曼－奈斯衍射，如图2所示。
根据相关理论可以证明以下结论：
（1）各级衍射角θ满足下列关系：
（1）
其中，λ0为入射激光波长，λs为超声波波长，m=0，±1，±2，±3，…。
（2）各级衍射光强与入射光强之比为：
（2）
其中，
为m阶贝塞尔函数，
。因为
，所以零级极值两侧的光强是对称分布的。
（3）各级衍射光的频率由于产生了多普勒频移而各不相同，各级衍射光的频率为
。
2．布拉格衍射
当超声波频率较高，声光相互作用距离较大，满足
并且光束与声波波面间保持一定的角度入射时，将产生布拉格衍射。这种衍射与晶体对
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。此时有超声波存在的介质起体积光栅的作用。布拉格衍射的特点是：
（1）理想情况下，只出现零级和＋1级衍射或－1级衍射。
（2）若参数合适、超声功率足够大，入射光功率几乎可以全部转换到＋1级或－1级上。
（3）产生布拉格衍射的入射角θB满足关系：
（3）
（4）1级衍射光强与入射光强之比为：
（4）
3．声光调制：无论是喇曼－奈斯衍射还是布拉格衍射，都可以通过改变超声波的强度而改变衍射光的强度。所以可以把调制信号加在超声波功率放大级，以达到光强调制的目的。
4．声光偏转：无论是喇曼－奈斯衍射还是布拉格衍射，都可以通过改变超声波的频率而改变衍射光的偏转方向。若对超声频率固定的超声发生器实现“开关”功能，在“开”时由于产生衍射，+1级或-1级衍射光存在，在“关”时，衍射光不存在，就可实现“声光开关”功能。一般“声光开关”运用的是布拉格衍射。
四、实验仪器
LOSG-Ⅱ型晶体声光效应实验系统的组成如图1所示，主要包括光路部分和声光效应实验仪两部分。光路部分包括He-Ne激光器，激光器电源，声光器件，精密旋转台，导轨，白屏等；实验仪包括超声波信号源，脉冲方波产生器，光电池、光功率计，脉冲信号解调器等。实验时，需另配频率计和双踪示波器。
主要部件的技术指标：
1．He-Ne激光器：波长 632.8nm，功率 2mw。
2.声光器件：工作波长 633nm，中心频率100MHz±0.5 MHz，衍射效率≥40%，脉冲重复频率≥1MHz。
3．高频超声信号源：
工作频率80—120MHz，输出功率约为700mw；
调制脉冲频率≤10KHz，TTL接口；
4．脉冲方波产生器：工作频率0.5～2KHz，TTL接口。
五、实验步骤
1．观察喇曼—奈斯衍射现象
按照图1所示安置好有关部件：把激光器、精密旋转台、白屏等一字排列在轨道上，声光器件固定在精密旋转台上；将激光器电源连接到激光器；把声光效应实验仪的超声功率输出用电缆连接到声光器件；“等幅/调幅”开关放在等幅位置，“光功率/解制”开关置于光功率（参看实验仪的面板图）。
打开He－Ne激光器电源，调整声光器件在光路中的位置和光的入射角度，使光束穿过声光器件，照射在白屏上。
打开声光效应实验仪的电源（注意在未连接声光调制器之前，不能开启电源）仔细调整声光器件在光路中的位置和光的入射角度，调整信号源输出功率至最大（直流电流表指示最大）同时调节信号源输出频率，使光屏上显示的光点最多。出现喇曼－奈斯型衍射，使之达到最佳状态。分别改变信号发生器的功率和频率，观察衍射现象的变化，记录实验现象。
2．测量超声波长λS和声速υS
如图4所示，测量光屏上0级和一级衍射光点之间的距离a，声光器件与光屏之距离L，计算一级衍射角
，
，依据（1）式有：
（5）
其中，He－Ne激光器波长λ0=632.8nm，m = 1，代入上式即可求得λs。又因为：
（6）
式中
为超声信号源的频率，可用频率计测量，这样就可求得声速vS。
3．测量声光器件的衍射效率
在喇曼－奈斯衍射条件下，一级衍射光的效率为：
（7）
其中，I1为±1级衍射光强，Iλ为入射光强。
将光电池插入实验仪的“光电池”插座，将功率计调零；再把光电池置于声光器件前面，让光束对准光电池的入射孔，此时光功率计读数即为入射光强Iλ。然后再将光电池置于白屏前面，光电池入射孔对准一级衍射光点。由光功率计读出一级衍射光强I1。按（7）式计算衍射效率η。
4．测量声光器件的带宽和中心频率
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,对于其它频率的超声波,其衍射效率将降低，一般认为衍射效率(或衍射光的相对光强)下降3dB(即衍射效率降到最大值的
时)两频率的间隔为声光器件的带宽。
做这项实验时，将频率计的输入与实验仪的“测频”插座连接，测量超声信号源的频率。调节超声波的频率，用功率计测量各频点对应的一级衍射光强和入射光强。由于一级衍射光点的位置随频率的改变而改变，所以在测试过程中必须相应调整光电池的位置，使其入射孔始终对准一级衍射光。求得衍射效率与超声波频率的关系曲线，定出声光器件的带宽和中心频率。
5．观测利用声光效应的信息传输实验
将实验仪的“等幅/调幅”开关置于调幅，“功率计/解调”开关置于解调，“调制频率监测”和“解调监测”分别连接双踪示波器的X输入和Y输入。开启实验仪的电源，这样加到声光器件上的信号变成经脉冲方波调制的超声波，经过声光相互作用，传输到接受端。调节“调制频率”并控制“音量”，可由双踪示波器上观测调制频率和解调频率及其变化，并且由仪器内置的扬声器收听变化的音调。
注意：信息传输是利用衍射光，所以必须使光电池的入射孔对准一级衍射光。
注意事项
1．高频超声信号源不得空载，即在开启实验仪电源前，应先将“输出”端与声光器件相连，否则，容易损坏超声信号源。
2．声光器件应小心轻放，不得冲击碰撞，否则将可能损坏内部晶体而报废，这种损坏属于人为损坏，不予保修或更换。
3．声光器件的通光面不得接触、擦拭、清洗，不做实验时，通光孔可用不干胶纸封住，否则易损坏光学增透膜，如有灰尘可用洗耳球吹去。
六、思考
题
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1、用自己的语言简单描述实验中声音传输的原理和过程。
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