声光效应

实验 声光效应1921年，布里逊曾预言：在有短波长的压力波横向通过的液体中，当可见光照射时，会出现类似于一刻线光栅那样产生衍射现象。

1932年，德拜和西尔斯以及卢卡斯和比夸特分别独立地观察到超声波对光的衍射。

此后一段时间，一些学者从实验和理论方面对这一现象做了较深入的研究，但应用方面进展不大。

近年来，由于高频声学和激光器的飞速发展，人们利用这一效应对光束频率、强度和传播方向的控制作用制成了声光偏转器和声光调制器等。

这些器件已广泛应用于激光雷达扫描，电视大屏幕显示器的扫描，高清晰度的图像传真，光信息储存等近代技技术。

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，这种现象是光与介质中的声波相互作用的结果。

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信技术等方面有着重要的应用。

【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）通过对声光衍射器件衍射效率测量，加深对这些概念的理解；（4）测量光偏转和光调制曲线。

【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。

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，声与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。

在各向异性介质中，声与光相互作用导致入射光偏振状态的变化，产生反常声光效应。

声光效应是制造高性能声光偏振器件和可调谐滤光器的物理基础。

正常声光效应可用衍射光栅假设作出解释，而反常声光效不能用光栅假设作出说明。

本实验采用衍射光栅假设对各向同性介质中的声光效应作一简要的讨论。

设声光效应中的超声行波是沿y 方向传播的平面纵波，其角频率为s ω，波长为s λ，波矢为s k （s k =s λπ2）。

入射光为沿x 方向传播的平面波，其角频率为ω，在介质中的波长为λ，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。

当声光作用的距离较小，满足L <λλ22s时，由于光速大约是声速的510倍，在光波通过的时间内介质在空间上的周期变化可看成是固定的。

图1由于应变引起的介质折射率的变化由下式决定：PS n =⎪⎭⎫ ⎝⎛∆21 （1）式中n 为介质折射率，S 为应变，P 为光弹系数。

当声波在各向同性介质中传播时，S 和P 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S =0S ()y k t s s -ωsin（2）当应变较小时，折射率作为y 和t 的函数可写作 =),(t y n 0n +n ∆()y k t s s -ωsin （3）式中0n 为无超声波时的介质折射率，n ∆为声致折射率变化的幅值。

由式（1）可求出n ∆321n -=0PS 。

设光束垂直入射（k 垂直于s k ），并通过厚度为L 的介质，则光波前后两点的相位差可由波矢和光程求出，即有φ∆0k =L t y n ),(0k =0n L +0k ∆n ()y k s s -ωsin0φ∆=+δφ()y k s s -ωsin （4）式中0k 为入射光在真空中的波矢的大小；右边第一项0φ∆为不存在超声波时光波前后二点的相位差；第二项为超声波引起的附加相位差（相位调制），δφ=0k ∆n L 。

可见，当波阵面为平面的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征，使光产生衍射。

设入射面2/L x -=上的光振动为i E ＝A t i eω，A 为一常数，也可以是复数。

考虑到在出射面2/L x =上各点相位的改变和调制，在xy 平面内离出射面很远一点处的衍射光叠加结果为 []⎰---∝2/2/sin ),(00b b y k L t y n k t i dy e A E θω 写成一等式时，有⎰---=2/2/sin )sin(0b b y ik t y k i t i dy e e Ce E S S θωδφω （5）式中，b 为光束宽度，θ为衍射角，C 为与A 及0φ∆有关的常数，为了简单可取为实数。

用图2与贝塞耳函数有关的恒等式∑∞-∞==m im m ia e a J e θθ)(sin式中()a J m 为第一类m 阶贝赛耳函数，将式（5）展开并积分得∑∞-∞=---=m s s t m i m k mk b k mk b e J CbE s 2/)sin (]2/)sin (sin[)(00)(θθδφωω （6） 上式中与第m 级衍射有关的项为 m E =0E ()t m i s eωω- （7） 2/)sin (]2/)sin (sin[)(000θθδφk mk b k mk b CbJ E s s m --= （8） 因为函数x x sin 在0=x 时取极大值，因此衍射极大的方位角m θ由下式决定sm m i λλθ0sin sin += （9） 式中，0λ为真空中光的波长，s λ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当于一个光栅常数为超声波长的光栅。

由式（7）可知，第m 级衍射光的频率m ω为m ω=ωs m ω- （10） 可见，衍射光仍然是单色光，但发生了频移。

由于ω>>s ω，这种频移是很小的。

第m 级衍射极大的强度m I 可用式（7）模数平方表示：m I 0E ==*0E 2C 2b ()=δφ2m J 0I ()δφ2m J （11）式中*0E 为0E 的共轭复数，0I =2C 2b 。

第m 级衍射极大的衍射效率m η定义为第m 级衍射光的强度与入射光强度之比。

由式（11）可知，m η正比于()δφ2m J 。

由于m 为一整数，()a J m -=()m1-()δφm J 。

式（9）和（11）表明，各级衍射光相对于零级对称分布。

当光束斜入射时，如果声光作用的距离仍满足L <λλ22s ，则各级衍射极大的方位角m θ由下式决定：sm m i λλθ0sin sin += （12） 式中i 为人射光波矢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。

声与光相互作用可产生多级衍射。

此时，有超声波存在的介质起一个平面相位光栅的作用。

当声光作用的距离满足L >λλ22s ，而且光束相对于超声波波面以某一角度斜入射时，在理想情况下除了0级之外，只出现1级或者一1级衍射，如图3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。

此时有超声波存在的介质起一个体积光栅的作用。

可以证明，布喇格角满足B i s i n =sλλ2 （13） 式（13）称为布喇格条件。

因为布喇格角一般都很小，故介质内衍射光相对于入射光的偏转角α为 α=B i 2≈s λλ=snv 0λs f （14） 式中，s v 为超声波波速，s f 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η=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛H LP M s 2sin 202λπ （15） 式中，s P 为超声波功率，L 和H 为超声换能器的长和宽，2M 为反映声光介质本身性质的一常数，2M =)/(326s v P n ρ，ρ为介质密度，P 为光弹系数。

在布喇格衍射下，衍射光的频率也由式（10）决定。

理论上布喇格衍射的衍射效率可达到100％，而喇曼—纳斯衍射中一级衍射光的最大衍射率仅为34％，所以实用的声光器件一般都采用布喇格衍射。

由式（14）和式（15）可看出，通过改变超声波的频率和功率，可分别实现对激光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。

从式（10）可知，超声光栅衍射会产生频移，因此利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。

以上讨论的是超声行波对光波的衍射。

实际上，介质中也可能出现超声驻，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，而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。

不过，各级衍射光不再是简单地产生频移的单色光，而是含有多个傅里叶分量的复合光。

【实验装置简介】实验装置主要有He-Ne激光器、声光器件、声光器件调节架、有功率输出的高频信号图3 布喇格衍射发生器、光电接收装置和导轨等部分。

图4是实验装置示意图。

1．声光器件声光器件的结构示意如图5所示。

它由声光介质、压电换能器和吸声材料组成。

本实验采用的声光器件的声光介质为钼酸铅晶体，对氦氖激光λ＝632．8nm 其折射率n ＝2．39，声速s v ＝3．632s m /103⨯。

吸声（或反射）材料的作用是吸收（或反射）通过介质传播到端面的超声波以建立超声行波（或驻波）。

压电换能器又称超声发生器，由妮酸锂晶体或其他压电材料制成。

它的作用是将电功率转换成声功率，并在声光介质中建立起超声场。

压电换能器是一个机械振动系统，又是一个与超高频信号发生器相联系的电振动系统，或者说是超高频信号发生器的负载。

为了获得最佳的电声能量转换效率，换能器的阻抗应当于电源内阻相当匹配。

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，记为c f 。

对于其他频率的超声波其衍射效率将降低。

规定衍射效率（或衍射光的相对光强）下降3db （即衍射效率降到最大值的一半时），两频率间的间隔为声光器件的带宽。

2．超高频信号发生器本实验采用XG －22型信号发生器，其频率范围为80MHz ～150MHz ，最大输出功率为2瓦。

使用时应注意：①不能空载，②换挡时先将功率输出调到零；③注意仪器的散热3．光电接受系统本试验的光电接受系统由硅光电池组成。

4．声光器件调节架声光器件调节架用来安放声光器件，并用于调节声光器件相对于入射光束的角度。

【实验内容及注意事项】首先将整个光学系统调至共轴，再进行以下的观察和测量：1．观察喇曼—纳斯衍射和布喇格衍射，比较两种衍射的实验条件和特点，实验可以通过改变超声波频率、改变光束人射角等来找典型的喇曼—纳斯衍射和布喇格衍射。

2．在布喇格衍射下，测量固定超声波功率条件下1级衍射光衍射效率与超声波频的关系曲线，并定出声光器件的带宽和中心频率。

实验时为了消除介质吸收的影响，入射光的强度i I ，用声光介质中无超声波存在时透射光的强度来代替，而不是直接测量光源的强度。

衍射效率η可以由衍射光的强度f I ，与入射光的强度i I 相比得到，即η=i fI I另外，由于实验所使用的声光器件性能不够完善，布喇格衍射不是理想的，会出现高级次衍射现象。