声光效应实验研究

介质中传播的超声波会造成介质的局部压缩和伸长。由于弹性应变而使介质的折射率或介电常数发生改变，当光通过介质时就会发生衍射现象，称之为声光效应。由于声光效应，衍射光的强度、频率、方向等都随着超声波场而变化。其中衍射光偏转角随超声波频率变化的现象称为声光偏转；衍射光强度随超声波功率变化的现象称为声光调制。

早在19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理想的光源，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。利用声光效应制成的声光器件，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】

1．了解声光相互作用的原理。

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。

【实验仪器】

SO2000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。

声光效应有正常声光效应和反常声光效应之分。在各项同性介质中，声－光相互作用不导致入射光偏振状态的变化，产生正常声光效应。在各项异性介质中，声－光相互作用可能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波器的基础。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，利用参量相互作用理论，可建立起声－光相互作用的统一理论，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。本实验只涉及到各项同性介质中的正常声光效应。

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声光调制实验

一.实验目的

1.理解声光作用和声光调制器的基本原理.

2.掌握及调制出布拉格衍射.

3.观察交流信号及音频信号调制特性.

二.实验仪器

可调半导体激光、声光晶体盒、声光调制电源及滑座和旋转平台.

三.实验原理

1.声光互作用

声光互作用效应是当超声波传到声光介质内，声光介质发生形变，导致介质的光学性能产生改变，即介质的折射率发生变化的现象。在超声波的作用下，声光介质的光学折射率发生空间周期性的变化，相当于介质内形成了一个折射率光栅，当激光通过介质是发生衍射。声光衍射使光波在通过介质后的光学特性发生改变，即光波的传播方向，强度，相位，频率发生了改变。

2.声光器件的基本原理

声光调制的工作原理：声光调制是利用声光效应将信息加载于光频载波的一种物理过程。调制信号是以信号( 调辐) 形式作用于电- 声换能器上，电- 声换能器将相应的电信号转化为变化的超声场，当光波通声光介质时，由于声光作用，使光载波受到调制而成为“携带”信息的强度调制波。分拉曼—纳斯型声光调制器和布拉格声光调制器。拉曼—纳斯型声光调制器特点：工作声源频率低于 10MHz只限于低频工作，带宽较小。布拉格声光调制器特点：衍射效率高，调制带宽较宽。其中调制带宽是声光调制器的一个重要参量，它是衡量能否无畸变地传输信息的一个重要指标，它受布拉格带宽的限制。对于给定入射角和波长的光波，只有一个确定的频率和波矢的声波才能满足布拉格条件。当采用有限的发散光束和声波场时，波束的有限角将会扩展，因此，在一个有限的声频范围内才能产生布拉格衍射。

3.拉曼—纳斯衍射和布拉格衍射

（1）布拉格衍射

当声波频率较高，声波作用长度较大，而且光束与声波波面间以一定的角斜入射时，光波在介质中要穿过多个声波面，故介质具有“体光栅”的性质。当入射光与声波面间夹角满足一定条件时，介质内各级衍射光会相互干涉，各高级次衍射光将互相抵消，只出现0 级和+1 级或（-1 级）（视入射光的方向而定）衍射光，即产生布拉格衍射。因此，若能合理选择参数，并使超声场足够强，可使入射光能量几乎全部转移到+1 级（或-1 级）衍射极值。因而光束能量可以得到充分利用，所以，利用布拉格衍射效应制成的声光器件可以获得较高的效率。

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声                                光                 效                     应                      的                研                究

                                  班    级：应物21班

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声光衍射实验

引言
　　20世纪初，布里渊曾预言：有压缩波存在的液体，当光束沿垂直于压缩波传播方向以一定角度通过时，将产生类似于光栅产生的衍射现象。布里渊的预言，不久被实验所证实。后来，人们不仅在液体中，而且在透明固体中也发现了这种现象。利用压电换能器在透明固体中激发超声波，让光通过，观察到了超声波中的光衍射现象。激光器出现之后，这种实验变得异常简单。自那时起到现在，人们对声光衍射现象作了大量的实验和理论研究。归结起来，声光衍射的实验测量主要包括两方面的内容：1．光学测量(测量衍射光强、衍射角、衍射光的偏振方向、衍射光的频率与入射光强、入射角、入射光的波K、驱动源频率、驱动功率、声光互作用介质的关系)；2．电输特性测量(行波器件的电输入特性与声光互作用介质、压电换能器、匹配网络的关系；驻波器件的电输入特性与声光互作用介质、压电换能器、匹配网络的关系)。
驻波声光调制器的工作原理
　　声波是一种弹性波（纵向应力波），在介质中传播时，它使介质产生相应的弹性形变，从而激起介质中各质点沿声波的传播方向振动，引起介质的密度呈疏密相间的交替变化，因此，介质的折射率也随着发生相应的周期性变化。超声场作用的这部分如同一个光学的“相位光栅”，该光栅间距（光栅常数）等于声波波长。当光波通过此介质时，就会产生光的衍射。其衍射光的强度、频率、方向等都随着超声场的变化而变化。
　　声波在介质中传播分为行波和驻波两种形式。图1所示为某一瞬间超声行波的情况，其中深色部分表示介质受到压缩、密度增大，相应的折射率也增大，

                 

图1 超声行波在介质中的传播         图2 超声驻波

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声光衍射实验

【实验任务】测量声波在液体里的传播速度

【可用仪器和器材】激光器、声光衍射仪，钢卷尺，游标卡尺，温度

计，观察屏及液槽。

【知识点及预习要求】

1. 了解声波的传播条件及传播形式。

2. 什么叫声光衍射及超声光栅？了解产生声光衍射的原理。

3. 理解声光栅的衍射方程 。

4. 实验中声波是怎样产生的，怎样获得声波的频率，其速度如何得到？

5. 如何安排实验光路即实验器材的摆放要求。

6. 如何调整实验器材以达到最佳的衍射效果。

7. 声波在水里的传播速度与水的温度有关系吗？

8. 了解实验中的注意事项。

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声光衍射法测定液体中的声速实验指导

1 实验目的

1）了解声光相互作用原理，观察声光衍射现象；

2）培养学生运用计算机进行综合物理实验的能力；

3）学会使用超声光栅测量液体中的声速。

2 实验相关仪器

半导体激光器(650nm)、水槽、换能器、SLD-2声光衍射仪、500型科学工作室接口、CI6538旋转位移传感器、光具座、CI6504A型光传感器、计算机。

3 实验内容和教学要求

3.1实验内容

1) 仪器的正确调节与使用。

2) 观察声光衍射现象及声光衍射光强度分布曲线。

3) 测量并记录实验中的相关数据。

4) 正确撰写相关实验报告。

3.2教学要求

1) 了解声光相互作用原理，观察声光衍射现象。

2) 理解超声光栅形成过程、掌握超声波在水中传播速度的测量方法。

3) 用Pasco重复8次以上测量?2级以上明纹间距离D±2，单次测量衍射距离L及

超声波频率f。

4) 正确记录实验相关数据，经任课教师检查签名后，方可关闭电源、整理仪器。

5) 利用相关公式计算超声波在该液体中的传播速度及不确定度。

4 重点与难点

1) 水槽、光传感器、二维调节架的调节。

2) 调出最佳声光衍射现象。

3) 采集到理想的衍射图样的光强度分布。

4) 测量声光衍射图样的光强度分布。

5) 熟练使用500型科学工作室，会正确设置相关传感器的各项参数。

5 难点指导

5.1 仪器粗调

在开启各仪器电源之前,应先连接好电路, 打开磁性表座开关，粗调各仪器位置与状态, 使水槽离激光发射器近一些（离光屏远一些），开启激光器电源，粗调（目测）激光发射器、水槽及光传感器接收点的高度，保持在一直线上。并使激光能垂直穿过换能器前方的中央区域（要同时观察竖直与水平方向），然后锁定磁性表座开关。

5.2水槽、光传感器、二维调节架的调节

水槽：在打开声光衍射仪开关之前，应先观察水槽中的水是否干净、清洁（不洁净的水对实验有一定影响），水面需没过换能器5mm左右，但水面也不可太高，否则两接线柱浸没水中，将发生短路现象。在确保换能器浸没水中，且水位正常后，打开声光衍射仪开关，调至图样点数最多即可（约11MHZ左右）。

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 YAG激光器声光调Q及其参数测量

电子科学与技术101班  唐衣可俊 2010031039

一、实验原理

    声光调Q是利用光的衍射效应实现调Q的。利用光的衍射现象，使光束偏离，达到声光调Q的目的。

一束光通过由声控的相位光栅时，就会发生衍射，这就是声光效应。在激光器的光学谐振腔中，放入一个声光调制器，当有超声场作用在调制器上时，由于声光效应，激光束就会发生衍射，偏离谐振腔，从而使激光停止振荡。当超声波消失后，损耗消失，形成振荡，产生巨脉冲输出，完成超声调Q作用。

    图4－1  布拉格衍射

在激光器中采用声光调Q技术，主要是利用布拉格衍射型。因为当超声波的功率足够时，这种衍射可使入射光全部转移到＋1或­－1级上，且有较高的转换效率。布拉格衍射现象见图4-1。在采取布拉格衍射时，入射角称为布拉格角，其满足下式：

                   （4-2）

式中：为光在介质中的波长,为声波波长，声波波数，为入射光波波数。

声光调Q中的调制元件是一个由布拉格衍射型的声光调制器，图4-2是调制盒的结构示意图。调制盒共有四部分组成，第一部分是高频驱动源；第二部分是超声波换能器，在这里将电信号变为超声波；第三部分是声光介质，声场与光场在这里发生相互作用；第四部分是吸声器。

图4－2  声光调Q盒结构示意图

超声波的产生有多种方法，如机械振动、气流振动、液体高逆流动以及电振动等。而激光器用的超声波发生器大都采用高频电信号发生器，也很容易人工控制、产生或消失，而且具有很短的滞后时间，这是调Q所必须的。

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