大学物理声光效应讲义
大学物理实验 实验33 声光效应
做实验时,通光孔可用不干考题
1、为什么说声光器件相当于相位光栅?
2、声光器件在什么实验条件下产生喇曼-奈斯和布 拉格衍射?两种衍射的现象各有什么特点? 3、调节喇曼-奈斯衍射时,如何保证光束垂直入射?
声 光 效 应
实验背景
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.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.了解声光效应在通信技术中的应用。
实验仪器
实验装置示意
实验原理
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
I1 I入
3.测量超声波长λS和声速S
按照下图所示,测量光屏上零级和一级衍射光点之间的距离a,声 光器件与光屏之间的距离为L,计算一级衍射角,
衍射角测量示意
4.测量声光器件的带宽和中心频率 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。 5.观测利用声光效应的信息传输实验 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
大学物理声光效应讲义
声光效应实验早在本世纪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良好的光源,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应用。
声光效应已广泛应用于声学、光学和光电子学。
近年来,随着声光技术的不断发展,人们已广泛地开始采用声光器件在激光腔内进行锁膜或作为连续器件的Q 开关。
由于声光器件具有输入电压低驱动功率小、温度稳定性好、能承受较大光功率、光学系统简单、响应时间快、控制方便等优点,加之新一代的优质声光材料的发现,使声光器件具有良好的发展前景,它将不断地满足工业、科学、军事等方面的需求。
一.实验目的1、了解声光相互作用原理。
2、观察布拉格衍射现象。
3、研究声光调制和声光偏转的特性。
二.实验仪器声光晶体、功率信号源、频率计、半导体激光器、示波器、CCD。
三.实验原理若有一超声波通过某种均匀介质,介质材料在外力作用下发生形变,分子间因相互作用力发生改变而产生相对位移,将引起介质内部密度的起伏或周期性变化,密度大的地方折射率大,密度小的地方折射率小,即介质折射率发生周期性改变。
这种由于外力作用而引起折射率变化的现象称为弹光效应。
弹光效应存在于一切物态。
如上所述,当声波通过介质传播时,介质就会产生和声波信号相应的、随时间和空间周期性变化。
这部分受扰动的介质等效为一个“相位光栅”。
其光栅常数就是声波波长λs,这种光栅称为超声光栅。
声波在介质中传播时,有行波和驻波两种形式。
特点是行波形成的超声光栅的栅面在空间是移动的,而驻波场形成的超声光栅的栅面是驻立不动的。
当超声波传播到声光晶体时,它由一端传向另一端。
到达另一端时,如果遇到吸声物质,超声波将被吸声物质吸收,而在声光晶体中形成行波。
由于机械波的压缩和伸长作用,则在声光晶体中形成行波式的疏密相间的构造,也就是行波形式的光栅。
声光效应(大学近代物理实验)
6、布喇格衍射下,将功率信号源的超声波频率固定 在声光器件的中心频率上,记录衍射0级光光强 (I0)和1级光光强度(I1)以及超声波功率 ( Ps ),并作出其其相对声光调制曲线(近似地 用功率信号源的板流标征); 7、测定布喇格衍射下的最大衍射效率,衍射率
,其中, I0为未发生声光衍射时“0级光” 的强度, I1为发生声光衍射后1级光的强度。
I1 B I0
实验总结
仪器不给力,调节需耐心;
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; 在观察和测量以前,应将整个光学系统调至共轴; 选用布拉格衍射测量是因为布拉格衍射效率高; 中心频率附近多测几组数据,方便作图。
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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 : 一级衍射光的衍射效率为
siniB 2S
布喇格条件
si n
2
0
M 2 LPS 2H
PS:超声波功率
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为:
声光效应有正常声光效应和反常 声光效应之分。 正常声光衍射有喇曼—纳斯衍射 和布喇格衍射。
声光衍射
实验原理 喇曼—纳斯衍射
设声光介质中的超声行波是沿у方向传播的 平面纵波,其角频率为ws,波长为λs,波矢为 ks。 入射光为沿х方向传播的平面波,在介质中 波长为λ,波矢为k。 第m级衍射极大强度:
声光效应
10物理学 学号 姓名
实验目的
了解声光效应的原理 了解喇曼—纳斯衍射和布喇格衍 射的实验条件和特点 通过衍射效率,中心频率和带宽 等的测量,加深对其概念的理解 测量声光偏转和声光调制曲线
声光效应
中山大学实验人:yxy 日期:2012.11.5 & 11.12 一.【实验目的】1.理解声光效应的原理,了解Ramam -Nath 衍射和Bragg 衍射的分别。
2.测量声光器件的衍射效率和带宽等参数,加深对概念的理解。
3.测量声光偏转的声光调制曲线。
4.模拟激光通讯。
二.【实验原理】(一)声光效应的物理本质——光弹效应介质的光学性质通常用折射率椭球方程描述1ij j j x y η=Pockels 效应:介质中存在声场,介质内部就受到应力,发生声应变,从而引起介质光学性质发生变化,这种变化反映在介质光折射率的或者折射率椭球方程系数的变化上。
在一级近似下,有ij ijkl klP S η∆=各向同性介质中声纵波的情况,折射率n 和光弹系数P 都可以看作常量,得21()PS nη∆=∆= 其中应变0sin()S S kx t =-Ω表示在x 方向传播的声应变波,S 0是应变的幅值,/s k v =Ω是介质中的声波数,2f πΩ=为角频率,v s 为介质中声速,/s v f Λ=为声波长。
P 表示单位应变所应起的2(1/)n 的变化,为光弹系数。
又得301sin()sin()2n n PS kx t kx t μ∆=-Ω=-Ω ()sin()n x n n n kx t μ=+∆=+-Ω其中3012n PS μ=是“声致折射率变化”的幅值。
考虑如图1的情况,压电换能器将驱动信号U(t)转换成声信号,入射平面波与声波在介质中(共面)相遇,当光通过线度为l 的声光互作用介质时,其相位改变为:000()()sin()x n x k l k l kx t φφμ∆==∆+-Ω其中002/k πλ=为真空中光波数,0λ是真空中的光波长,00nk l ∆Φ=为光通过不存在超声波的介质后的位相滞后,项()0sin k l kx t μ-Ω为由于介质中存在超声波而引起的光的附加位相延迟。
它在x 方向周期性的变化,犹如光栅一般,故称为位相光栅。
声光效应
声光效应实 验者:杨亿斌(06325107) 合作者:吴聪(06325096)(中山大学物理系,光信息科学与技术06级3班)2008年12月31日[实验目的]1、理解声光效应的原理,了解Ramam -Nath 衍射和Bragg 衍射的分别2、测量声光器件的衍射效率和带宽等参数,加深对概念的理解。
3、测量声光偏转的声光调制曲线。
4、模拟激光通讯。
[实验原理](一)声光效应的物理本质――光弹效应介质的光学性质通常用折射率椭球方程:1ij j j x y η= (1)描述。
介质中存在声场,介质内部就受到应力,发生声应变,从而引起介质光学性质发生变化,这种变化反映在介质光折射率的或者折射率椭球方程系数的变化上。
在一级近似下,有 : ij ijkl kl P S η∆= (2)这就是著名的Pockels 效应。
为简单起见,这里只考虑各个相同性介质中声纵波的情况,这样折射率n 和光弹系数P 都可以看作常量。
有,21()PS nη∆=∆= 应变0sin()S S kx t =-Ω表示在x 方向传播的声应变波,S 0是应变的幅值,/s k v =Ω是介质中的声波数,2f πΩ=为角频率,v s 为介质中声速,/s v f Λ=为声波场。
P 表示单位应变所应起的2(1/)n 的变化,为光弹系数。
得301sin()sin()2n n PS kx t kx t μ∆=-Ω=-Ω于是()sin()n x n n n kx t μ=+∆=+-Ω其中3012n PS μ=是“声致折射率变化”的幅值。
考虑如图一的情况,压电换能器将驱动信号U (t )转换成声信号,入射平面波与声波在介质中(共面)相遇,当光通过线度为l 的声光互作用介质时,其相位改变为:000()()sin()x n x k l k l kx t φφμ∆==∆+-Ω (7) 其中002/k πλ=为真空中光波数,0λ是真空中的光波长,00nk l ∆Φ=为光通过不存在超声波的介质后的位相滞后,项()0sin k l kx t μ-Ω为由于介质中存在超声波而引起的光的附加位相延迟。
声光效应
Ps
实验内容 (3) 数据记录、处理的相关问题
2)衍射光强度与超声波功率的关系
超声波频率固定在声光器件的中心频率上
次数 1 2 3 4 5 6 (I) / mA 50 60 70 80 90 100 I0(小格数) I1(小格数)
3)测定布喇格衍射下的最大衍射效率
实验内容 (3) 数据记录、处理的相关问题
实验目的 1 实验目的 (1) 了解声光效应的原理;学会利用声光效应来测定声速。 (2) 了解喇曼—纳斯衍射和布喇格衍射的实验条件和特点,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。 (3) 测量声光偏转和声光调制曲线。
实验原理 2 实验原理 2.1 声光效应 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。
实验内容
(2) 各实验测试内容的测试步骤及应注意的问题
注意:不能直接用眼睛去看激光束,以免造成永久性的损伤。
实验内容
(2) 各实验测试内容的测试步骤及应注意的问题
实验内容
(2) 各实验测试内容的测试步骤及应注意的问题
定标:即示波器X方向上的1格等于CCD器件上多少象元,或者示波器 上1格等于CCD器件位置X方向上的多少距离。方法是调节示波器的 “时基”档及“微调”,使信号波形一帧正好对应于示波器上的某个刻 度数。本实验测量光强采用的是一维阵列CCD,共2160个像元,每个像 元的长度为14μm。如果波形一帧正好对应于示波器上的8.0大格,则每 小格对应实际空间距离为2160个像元÷(8.0大格×5)×14μm = 0.76mm。
声光效应及其应用
声光效应及其应用声光效应是指声音和光线相互作用产生的效果。
它是一种将声音和光线相结合的技术,可以产生出丰富多样的视听效果。
声光效应在各个领域都有广泛的应用,比如娱乐、教育和科学研究等方面。
本文将介绍声光效应的原理以及其在不同领域中的应用。
声光效应的原理是基于声音和光线的传播特性。
当声音传播到某个物体时,会引起物体的振动,进而产生声波。
而光线的传播则是通过光的折射和反射来实现的。
当声音和光线同时作用于物体时,它们会相互影响,从而产生声光效应。
在娱乐领域,声光效应被广泛应用于电影、演唱会和游乐园等场所。
在电影中,声光效应可以增强观众的沉浸感,使他们更好地融入电影的情节中。
通过合理运用声光效应,可以使观众感受到爆炸声、风声和雨声等,从而提升电影的观赏体验。
在演唱会上,声光效应可以与音乐相结合,创造出炫目的舞台效果,增强观众的视听体验。
而在游乐园中,声光效应可以用来制造恐怖氛围或者增加刺激感,例如在过山车上加入声音和光线的效果,使游客感受到更加真实的刺激。
教育领域也是声光效应的应用领域之一。
在学校的音乐课上,声光效应可以用来演示音乐的原理和特点。
通过将不同乐器的声音与特定的光线效果相结合,可以让学生更好地理解音乐的节奏、音调和音色等概念。
此外,声光效应还可以用于语言学习,通过将不同语言的声音与相应的光线效果相结合,可以帮助学生更好地记忆和理解语言。
在科学研究领域,声光效应也发挥着重要的作用。
例如,在物理学中,声光效应可以用来研究物质的结构和性质。
通过将声音和光线同时作用于物质,可以观察到物质的振动和变形情况,从而推断出物质的特性。
此外,声光效应还可以用来研究声音和光线的相互作用机制,深入了解声音和光线的传播规律。
除了以上提到的领域,声光效应还有许多其他的应用。
例如,在舞台剧中,声光效应可以用来增强角色的表演效果,使观众更好地理解角色的情感和内心世界。
在展览和博物馆中,声光效应可以用来展示历史事件和文化艺术,使观众更好地了解和体验。
光声效应的原理及应用
光声效应的原理及应用1. 引言光声效应是一种非线性光学现象,描述了由于光与声波的相互作用而引起的声光效应。
通过将一个频率较高的激光束聚焦到介质中,然后通过声波的激励,在介质中引起声波密度的调制,进而导致光的散射。
在这种过程中,光子与声子之间的相互作用导致了能量的传递,从而产生了光声效应。
光声效应具有许多独特的特性,使其在各种应用中发挥了重要作用。
2. 光声效应的原理光声效应的原理可以简单地描述为光的吸收、声波激励和光散射的相互作用。
当一个脉冲激光束照射到介质中时,光子被吸收,并引起周围介质中的局部加热。
该加热导致了介质中的温度升高,并在介质中产生了一个声波。
这个声波在介质中传播,同时导致光的密度调制,从而产生了散射的光。
光声效应的原理可以用下面的步骤总结:•激光束的吸收•温度增加和声波的产生•光密度调制•光的散射3. 光声效应的应用光声效应具有许多重要的应用,以下列举了一些典型的应用领域:3.1 光声显微镜光声显微镜是一种采用光声效应的显微镜,它结合了光学和声学的特点,可以获取高分辨率的图像。
通过将样本置于显微镜中,然后使用激光束照射样本,光声显微镜可以获得活体细胞、组织和生物标记物的三维图像。
光声显微镜在生物医学研究、生物医学成像和临床诊断中有广泛的应用。
3.2 光声成像光声成像是利用光声效应来获取组织结构和功能信息的成像技术。
通过将样本置于光束的聚焦区域,并使用探测器来记录由光声效应产生的声波信号,可以重建样本的图像。
光声成像在医学成像、材料科学和纳米技术等领域具有广泛的应用。
3.3 光声光谱学光声光谱学是一种通过测量光声效应产生的声波信号强度来分析样品的化学成分和结构的技术。
在光声光谱学中,样本被照射并激发,通过分析由光声效应产生的声波信号的频率和幅度变化,可以确定样本的化学成分和结构。
光声光谱学在材料科学、环境监测和生物医学研究中具有重要的应用。
3.4 光声能量转换光声能量转换是一种将光的能量转换为声波能量的过程。
14-9 磁光、电光和声光效应
2
nR d
3)合成复振幅
1 1 ik L d 1 1 ik R d E E L E R e e 2 i 2 i 1 i ( k L k R ) d / 2 1 i ( k R k L ) d / 2 1 i ( k R k L ) d / 2 e e e 2 i i
4)讨论:
若左旋圆偏振光传播速度快,nL<nR,vL>vR , >0, 光矢量向逆时针方向转动; 若右旋圆偏振光传播速度快, nL>nR,vL<vR , < 0, 光矢量向顺时针方向转动。
5
3、旋光现象的应用: 旋光光学元件
左旋
右旋
左旋
右旋
a)石英棱镜
b)科纽棱镜
c)石英透镜
6
石英晶体性质:
4、磁致旋光效应: 磁光效应:在强磁场的作用下,物质的光学性质发生变化。
磁致旋光效应(1864年 法拉第效应):在强磁场的作用下, 本来不具有旋光效应的物质产生了旋光性质。
B P
旋转的角度 磁感强度
A
VBl
法拉第效应
物质特性常数 物质厚度
8
5、磁光效应的应用: (1)单通光闸 利用旋光方向和光的传播方向无关的特性
3 noE z l
外加电场引起 的双折射
结论:
电场引起的相位差与外加电压成正比,同时 14 与晶体的长度和厚度有关
2、克尔效应(二级电光效应)
硝基苯C6H5NO2 或二硫化碳(CS2)液体
P h
E
U
A
l
克尔效应装置
各向同性的液体
外加电场
单轴晶体性质
声光效应
图7:超声驻波衍射光强的测量
15
Im I0
(m 0,±1,±2,±3 ,...)
16
四、用一维光强分布系统测量衍射光强,计算光栅常数
实验步骤:
1)重复实验一的步骤,令观察屏上的衍射光点最多。 2)将光强分布测量系统置于导轨另一端。 3)选取最窄的缝光阑测量,注意测量要覆盖所有各级衍射条纹,将数据绘 成衍射光强分布曲线 4)利用光栅衍射原理,测量光栅常数。
2
实验目的:
1、测量声光效应的衍射光强分布;
2、测量声光晶体各级衍射条纹的衍射效率及其与超声波驱动功率之间的 关系;
3、研究声光效应超声驻波器的电输入特性与声光相互作用介质、压电换 能器、 匹配网络的关系。
3
实验原理:
1、超声波的产生 声频范围在几十千赫至上千兆赫的声波叫超声波。超声波的产生主要 是利用某些电介质的逆压电效应(电致伸缩效应)。 2、声光效应
17
操作要领
18
5
图2 是这种波在十个彼此相等的瞬时 间隔时的情况。沿正方向传播的发射波 用虚线表示;沿负方向传播的反射波用 实线表示;它们的叠加用点划线表示。 这种有两个彼此相对的行波组成的振动 称为驻波。 在驻波中,彼此相距 / 2 的各点完 全不振动,这些点称为波节。位于两波 节中间的点是波腹,这些点上的振动最 大。另外,显而易见的是每隔T/2秒,振 动即完全消失(图2中从上往下数3,5, 7,9行的瞬时),驻波的最大值也位于 这些瞬时间隔的中间(2,4,6,8, 10),而且每经过这个时间间隔,在波 腹处的振动的相位相反。
将(1)式对时间微分,即可得到驻波 情况下质点振动速度的表达式:
u 2 A cos Kx cos t
(2)
声光效应知识点总结
声光效应知识点总结一、声光效应的基本概念声光效应是指在光学介质中,由于光的吸收和热膨胀等原因而导致的声波的产生现象。
最早被发现的是在固体和液体中发生的光声效应,后来也发现了气体中的光声效应。
声光效应主要分为吸收型光声效应和热膨胀型光声效应两种类型。
1. 吸收型光声效应吸收型光声效应是指当光束通过介质时,光子被介质原子或分子吸收后,会使得介质产生声音的现象。
这种效应的产生与介质的折射率、吸收系数以及光的能量有关。
当光子被吸收后,介质中的原子或分子会发生振动,从而引起了压力波,使得介质中产生声音。
2. 热膨胀型光声效应热膨胀型光声效应是指当光束通过介质时,光子的能量被转化为热能,导致了介质发生温度的非均匀性,从而引起了温度梯度,进而导致了声音的产生。
这种效应主要取决于介质的热导率和光束的功率密度。
声光效应具有一些独特的特性,例如频率可调性、高光强下的线性响应等,使得其在超声成像、激光输出控制、光声光谱学等领域得到了广泛的应用。
二、声光效应的物理原理声光效应的产生是由于光与声波之间的相互作用。
下面分别介绍吸收型声光效应和热膨胀型声光效应的物理原理。
1. 吸收型声光效应的物理原理当光束通过介质时,光子被介质原子或分子吸收后,会使得介质产生声音。
这种现象可以用简单的经典理论来解释,即光子的能量被介质吸收后,引起了介质中原子或分子的振动。
由于振动的不规则性,导致了压力波的产生,从而引起了声音。
由于吸收型声光效应的产生与光子的能量有关,因此通常在光功率较大的光束中,这种效应更为显著。
2. 热膨胀型声光效应的物理原理热膨胀型声光效应的产生是由于光的能量被介质转化成了热能,从而导致了介质的温度非均匀性。
这种现象可以用热传导定律来解释,即光束的功率密度足够大时,会引起介质温度的非均匀性,导致了温度梯度,从而引起了声音。
由于热膨胀型声光效应的产生与介质的热导率和光束的功率密度有关,因此通常在功率密度较大的光束中,这种效应更为显著。
大学物理实验声光效应介绍课件
事项
讲解声光效应原理: 解释声光效应的物理
原理
讲解实验结果分析: 分析实验结果,解释
实验现象
介绍实验仪器:讲解 实验仪器的使用方法
和注意事项
总结实验结论:总结 实验结论,强调声光
效应的重要性
谢谢
实验步骤和操作
01
准备实验器材:声光晶体、 激光器、电源、示波器等。
03
调整实验参数:调整激光器 的输出功率、频率等参数, 使其符合实验要求。
05
分析实验结果:根据实验数 据,分析 Nhomakorabea光效应的规律和 特点。
02
连接实验器材:将声光晶体、 激光器、电源、示波器等按 照实验要求连接。
04
进行实验:打开激光器,观 察声光晶体的衍射现象,记 录实验数据。
当声波与光波在同一介质中传播时,声波对介质 03 的压缩和拉伸作用会导致光波的相位和振幅发生
变化,从而产生干涉现象。
声光效应的应用包括声光调制器、声光开关、
04
声光传感器等。
声光效应的应用
01
声光调制器:用于控制激 光的强度、频率和相位
02
声光偏转器:用于控制 激光束的偏转角度
03
声光滤波器:用于滤除 特定频率的噪声
04
声光开关:用于控制激 光的通断
05
声光传感器:用于检测 声波信号
06
声光显示:用于显示声波 信号的波形和频率
声光效应实验
实验目的和意义
01
验证声光效 应的存在
02
研究声光效 应的物理原
理
03
探索声光效 应的应用前
景
04
培养实验技 能和科学探
晶体物理性能第8章声光效应
声光效应及其应用朱劲松1晶体的声光效应及应用平面光波通过各向同性(各个方向上的折射率相同)透明光学介质时出射光波仍然是平面波。
不考虑介质的吸收等因素,其光强也保持不变。
当介质中存在弹性应力或应变时,介质的折射率或介电常数将发生变化,从而使在其中传播的光受到影响,这就是弹光效应(photoelastic effect)。
声光效应在晶体中存在超声弹性场时,超声应变场将引起折射率的变化,它在介质中随时间、位置作周期性变化,向前传播时,声波(机械振动)对晶体的作用,由于弹光效应使得晶体的折射率发生变化。
因而将使光在其中传播规律发生影响。
这种晶体的折射率分布有一定的规律,相当一个调制光栅。
当一平面光波通过该声光晶体时,就会发生衍射和散射现象叫声光效应(acoustic optic effect)声光效应是指声波与光波的交互作用,具体地说就是光被介质中的超声波衍射或散射的现象,声波是弹性波,因此声光效应也即是弹光效应的一种表现.当介质中存在弹性应力或应变时,介质的光学性质发生变化,或者说,介质的折射率或介电常数会发生变化,这样就会影响光在介质中的传播特性,这就是弹光效应.当光通过介质中的声波而产生衍射后,光束发生偏转,频移和强度变化.声光效应原应用就是利用这些衍射光束的特性.最早的应用仅限于某些物理性质的测量,例如声场的能量分布,声衰减系数,声速,弹性系数以及弹光系数等的测量,是利用衍射光强在通常条件下与声强成正比的关系.随着激光和超声技术的迅速发展,声光效应又在光电子技术中得到了广泛的应用,已制成多种声光元件如:声光调制器,声光Q开关,声光锁模器以及声光偏转器等,在不少激光的应用中已是不可缺少的单元技术.弹光效应前面已经讲过晶体的折射率可以用折射率椭球来描述,椭球的系数Bij 是介电张量的逆张量(ε-1)ij 或称介电不渗透张量,和折射率的关系:ijij ij n B )1()(21==-ε椭球方程是 (8.2)一般情况下,不仅电场能使折射率发生变化,应力也可产生变化,换句话说应力也可使折射率椭球的大小、形状和取向发生微波的变化.这一变化可用∆Bij 来描述,如果只考虑线性变化,在外加电场Ek 和应力σkl 的作用下有)3,2,1,,,(=+=∆l k j i E B kl ijkl k ijk ij σπγγijk 是一三阶张量引出了电光效应,而πijkl 是一四阶张量,引出弹光效应,πijkl 称压光系数,用M 、K 、S 制表示,为γijk~10-12米/伏弹光效应也常用应变来表示,(8.3)变为由于σkl =C klrs εrs , C klrs 是弹性系数,容易证明 P ijks 称为弹光系数或光弹系数,因C klrs 的量纲是和应力的量纲相同(牛顿/米2),因此P ijks ,由于π~10-12,C~1011,故P 的数量级~10-1,因此∆B ij 的变化大约为应变的1/10.rs ijrs k ijk ij P E B εγ+=∆rsklijrs klrs ijkl ijks P C P θπ==对于用应变ε作为变量的弹光系数同样有∆B ij=P ijrsεrs(i, j, r, s=1, 2, 3) (8.9)矩阵表式也同样,∆B m=P mnεn(m, n=1, 2, …6) (8.10)注意应变定符(2.37)式中切应变ε4=2ε23, ε5=2ε31,ε6=2ε12,因而,P mn=P ijrs对所有m, n值都通用.2声光交互作用产生的衍射现象 当压电换能器产生的声波在介质中传播时,介质中即出现弹性应变的时间和空间的周期变化(如果是纵波则伴有密度的周期变化,如为切波,则无密度变化).由于弹光效应的存在,介质中各点的折射率或常数也会产生相应的周期变化.因而当光束通过这样的介质时位相就受到调制.其结果就是可以将这种存在着超声波的介质看作是一个位相光栅,光栅间距等于声波波长.光束通过这个光栅就要产生衍射,这就是声光交互作用的物理实质.根据声波波长Λs, 光波波长λ和声光交互作用的长度L的不同,以及声波的种类(行波还是驻波),可以有不同的衍射现象.下面将分述有实用意义的也是衍射效率较高的两类声光衍射现象(a) 喇曼-奈斯衍射当L<<Λs2/λ时,也即是声光交互作用长度比较短超声频率fs(fs=Vs/Λs, Vs为声速)比较低(频率仍在兆周以上故属超声范围)的情况下,出现正常衍射现象,即在中央衍射光束的两侧出现若干对称的衍射级通常称为喇曼-奈斯衍射.图8.1示出当入射光束与声波阵间平行时的喇曼-奈斯现象,图(a)为超声行波所产生的衍射,吸声材料用于吸收已通过声光介质的声波,阻止其返回声光介质,以免干扰行波.中央束衍射光的频率不变,与入射光相同,设为f; +1级和-1级衍射光频率分别为f+fs和f-fs; +2和-2级衍射光频率分别为f+2fs和f-2fs….各级稍微光所取的方向可按下式求得(b) 布拉格衍射如果L>>Λs2/λ,即当超声频率比较高(常用频率是几十~百兆周),声光交互作用长度比较大的情况下出现非常衍射现象,当入射光束与声波阵面夹角O满足面拉格关系式,2Λs sinθ= λ(8.12)时,除0级衍射光外,只有一束一级(+1级或-1级,视声行波传播方向而定)衍射光.此衍射光相当于声波阵面上的反射光(图8.4),频率为f+fs或f-fs,此反射光与入射光的夹角为2Q,这样(8.12)就与(8.11)式的一级衍射相似,即2θ~θ1,其它级衍射光很弱或不出现.布拉格关系的名称是来自X光在晶体中的衍射,有相似于(8.12)式的布拉格衍射.声光调制器;偏转器;声光Q开关;等应用声光效应现象声光效应来自于弹光效应光通过加有声场光的材料时:1)光将被衍射 2)光将发生偏转 3)光频率将发生变化4)光强度发生变化这些变化大小均与声场有关。
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 π2)。
物理效应及其应用—光声效应
(一)声多普勒效应
• 乘火车旅行中,我们可以感觉到,高速行驶的火车鸣笛 而来时,汽笛的声调变高,鸣笛离去时,汽笛的声调变 低,这是声多普勒效应所致,由于发射声波的波源与观 测者之间存在相对运动,导致观测者接收到的声波频率 比声源振动的频率增高或降低。 •设声源的频率为,声波在媒质中的速度为V, •波长 = V / 。 •声波在媒质中传播的速度与波源是否运动无关,波一旦 在媒质中产生,就“忘记”了自己的来源,总是以决定于 媒质特性的速度V来传播,波的频率数值等于每秒钟通过 媒质中某一固定点的完整波形的数目,波源振动频率由波 源本身结构决定。 •如果波源和观测者都静止于媒质中,当然波源振动频率和 波的频率二者相等。但如果波源或观测者在媒质中运动, 情况就不同了,下面分三种情况来讨论它们的关系。
第2节
萨甘纳克(Sagnac)效应
•光沿环形路径行进。由于转 动引起光程差的现象称为萨 甘纳克效应。
•这 种 现 象 是 由 Georges Marc Marie Sagnac于1913年首次发现的。 •如图5-4所示,光沿一个半径 为R的圆环形路径行进周所需要的 时间取决于该路径是静止不动还是 转动。假设一观察者站在一静止的 圆圈内,发射一光脉冲,该脉冲分 成两半,分别沿相反方向绕圆环传 播(图5-4(a)),在这种情况 下,由于圆环不转动,这两个“脉 冲”会同时返回到它们的起始点A (观察者)
• 流速 •频率相近的两散射光在探恻器上相互作用而产生拍现象。光电探测器测 出每秒钟光强变化频率,即拍频。已知、n、,于是就可测出流速 u,这一测量方法是非接触式的,不影响流体流动的情况,激光流速仪 的精度高,测量范围大,而且可以逐点测出瞬时流速,是研究流体力学 问题的有力工具。
FB720型声光效应与激光超声光栅实验仪讲义
声光效应与超声光栅实验(FB720型声光效应与激光超声光栅实验仪)实验讲义浙江大学物理实验教学中心声光效应与超声光栅实验概 论超声波在液体介质中传播时,将引起液体介质的弹性应变,从而引起介质折射率的变化。
声压的周期性变化决定了折射率的变化具有时间和空间上的周期性。
当光束通过有超声波的介质后,尤如通过一个相位光栅,如果该光栅间隔适当的小,就会与正常光栅一样观察到衍射现象,正如1922年布里渊(L Brillouin.)曾预言液体中的高频声波能使可见光产生衍射效应一样,在10年后被实验证实。
1935年拉曼(Raman.C.V )和奈斯(Nath )发现,在一定条件下,声光效应的衍射光强分布类似于普通光栅的衍射。
这种声光效应称做拉曼—奈斯声光衍射。
这就是声光效应的典型实例,本实验利用该物理现象,进行在介质液体中的声速测量。
【实验原理】1.声光效应与声场位相光栅的形成:声波是一种机械应力波,若把这种应力波作用于声光介质(如水,玻璃等透明介质)中,就会引起压缩与伸张效应,使介质内部产生疏密层次变化。
由于介质折射率与介质密度成正比,所以介质密度周期性的变化,必将导致介质中折射率发生周期性的变化。
如声波在传播的过程中,遇到反射产生信号叠加产生驻波,就会更加加剧上述现象。
图1为水介质在超声作用下的汇聚起来的水波涟,显示在超声波的作用下引起介质内的应变。
设如果介质在Y 方向的高度h 正好是超声波半波长的整数倍,在受到底部反射后就在介质中形成驻波场,有t cos y k cos U 2)t ,Y (U S s 0ω∙=,理论证明它使得介质在Y 方向的应变是:(1)可见驻波的作用可以成倍的引起振幅应变的变化,所以要使实验现象明显,本实验刻意放置在驻波声场中进行。
介质的应变S 引起的折射率发生相应的变化,它们的关系可以表示为:(2)其中n 是介质的折射率,ρ是应变引起的2n 1的光 弹系数,由于在诸如水这样的各向同性的介质中,图1 ρ与S 都是标量,对于驻波声场:t cos y k sin S 2S s s 0ω∙=S n 1(2ρ=∆t cos y k sin A 2t cos y k sin S n S 2n n s s s s 033ω∙-=ω∙ρ-=ρ-=∆ (3)公式中03S n 21A ρ=为超声波引起介质的折射率变化的幅值,这样在声波传播的Y 方向上,折射率是以:t cos y k sin A 2n n n )y (n s s 00ω∙+=∆+= (4)的规律发生变化, 使介质内部疏密层次也发生相应的变化。
声光
特性
当一道足够强度的声波射入液体内的一小块空腔时,会导致空腔急速的压缩,这个空腔可能是普通的气泡, 或是因气穴现象引发的微小的低压气泡。
字面含义
声音和灯光,行业名词,音响灯光行业的简略称呼。
行业及络
中国声光行业是声光行业原料到半成品、成品,从经验到技术整合协作站,服务栏目包括:声光数据服务、声 光咨询服务、声光行业信息服务、声光专题服务、供求服务、产品目录、声光人才等中国声光行业于2005年11月 成立,致力于声光行业行业的信息化建设,利用互联技术将声光行业行业的各种信息和服务整合成一个完善的服 务平台,供商家、买家、研究单位、院校及有关人员共享。
中国声光行业,客户可获充分的价值回报,提高企业的知名度和竞争力。我们更希望与声光业界的同仁们共 同合作,共享信息资源,共谋发展,共创中国声光行业的美好未来。
衍生含义
[reputation; glory]声誉和荣耀 他在那一带有点声光
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声光
科学概念
01 读音
03 字面含义 05 衍生含义
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02 现象和本质 04 行业及络
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声光效应实验早在本世纪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良好的光源,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应用。
声光效应已广泛应用于声学、光学和光电子学。
近年来,随着声光技术的不断发展,人们已广泛地开始采用声光器件在激光腔内进行锁膜或作为连续器件的Q 开关。
由于声光器件具有输入电压低驱动功率小、温度稳定性好、能承受较大光功率、光学系统简单、响应时间快、控制方便等优点,加之新一代的优质声光材料的发现,使声光器件具有良好的发展前景,它将不断地满足工业、科学、军事等方面的需求。
一.实验目的1、了解声光相互作用原理。
2、观察布拉格衍射现象。
3、研究声光调制和声光偏转的特性。
二.实验仪器声光晶体、功率信号源、频率计、半导体激光器、示波器、CCD。
三.实验原理若有一超声波通过某种均匀介质,介质材料在外力作用下发生形变,分子间因相互作用力发生改变而产生相对位移,将引起介质内部密度的起伏或周期性变化,密度大的地方折射率大,密度小的地方折射率小,即介质折射率发生周期性改变。
这种由于外力作用而引起折射率变化的现象称为弹光效应。
弹光效应存在于一切物态。
如上所述,当声波通过介质传播时,介质就会产生和声波信号相应的、随时间和空间周期性变化。
这部分受扰动的介质等效为一个“相位光栅”。
其光栅常数就是声波波长λs,这种光栅称为超声光栅。
声波在介质中传播时,有行波和驻波两种形式。
特点是行波形成的超声光栅的栅面在空间是移动的,而驻波场形成的超声光栅的栅面是驻立不动的。
当超声波传播到声光晶体时,它由一端传向另一端。
到达另一端时,如果遇到吸声物质,超声波将被吸声物质吸收,而在声光晶体中形成行波。
由于机械波的压缩和伸长作用,则在声光晶体中形成行波式的疏密相间的构造,也就是行波形式的光栅。
当超声波传播到声光晶体时,它由一端传向另一端。
如果遇见反声物质,超声波将被反声物质反射,在返回途中和入射波叠加而在声光晶体中形成驻波。
由于机械波压缩伸长作用,在声光晶体中形成驻波形式的疏密相同的构造,也就是驻波形式的光栅。
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相互作用的结果。
1、布拉格声光调制我们设计的这套实验系统主要是用来完成利用布拉格衍射进行声光调制的各项实验,所以下面着重讲一下布拉格声光调制。
如果声波频率较高,且声光作用长度较大,此时的声扰动介质也不再等效于平面位相光栅,而形成了立体位相光栅。
这时,相对声波方向以一定角度入射的光波,其衍射光在介质内相互干涉,使高级衍射光相互抵消,只出现0级和 1级的衍射光,这就是布拉格声光衍射,如图1所示,这种衍射形式效率较高,有利于制成各种实用器件。
下面从波的干涉加强条件来推导布拉格方程。
为此,可把声波通过的介质近似看作许多相距λs 的部分反射、部分透射的镜面。
对于行波场,这些镜面将以速度νs 沿x 方向移动(因为ωm <<ωc 所以在某一瞬间,超声场可近似看成是静止的,因而对衍射光的分布没影响)。
对驻波超声场则完全是不动的。
当平面波以θi 入射至声波场,在B 、C 、E 各点处部分反射,产生衍射光。
各衍射光相干增强的条件是它们之间的光程差应为其波长的整数倍,或者说必须同相位。
图2表示在同一镜面上的衍射情况,入射光在B 、C 点的反射光同相位的条件必须使光程差AC-BD 等于光波波长的整数倍,即(co s co s )i d x mnλθθ-= (0,1)m =± (1)要使声波面上所有点同时满足这以条件,只有使i d θθ=(2)即入射角等于衍射角才能实现。
对于相距λs 的两个不同的镜面上的衍射情况,由上下面反射的反射光具有同相位的条件,其光程差必须等于光波波长的整数倍,即(co s co s )s i d n λλθθ+=(3)考虑到i d θθ=,所以2sin B n λλθ=或 sin 22B sssf n n v λλθλ==(4)图2 入射光束在镜面上发生衍射式中,θi =θd =θB ,θB 称为布拉格角。
可见,只有入射角等于布拉格角θB 时,在声波面上的光波才具有同相位,满足相干加强的条件,得到衍射极值,上式称为布拉格方程。
由于发生布拉格声光衍射时,声光相互作用长度较大,属于体光栅情况。
理论分析表明,在声波场的作用下入射光和衍射光之间存在如下关系⎪⎩⎪⎨⎧-==)sin()0()()cos()0()(''r k iE r E r k E r E ij i jij i i(5)式中E i 和E j 分别为入射和衍射光场,这为我们描述两个光场的能量转换效率提供了方便。
定义:在作用距离L 处衍射光强和入射光强之比为声光衍射效率,即)(sin)0()(2L k I L I ij i j ==η (6)由于ij kl ijkl ij nnS p n ∆-≈=⎪⎪⎭⎫⎝⎛∆3221,注意到kl ijkl ij S p n k λπ23==)(ij n ∆-λπ。
因此,(6)式可写为)2(sin )(sin22φλπη∆=⎥⎦⎤⎢⎣⎡∆=L n ij (7)式中Δф是传播距离L 后位相改变量。
引入有效弹光系数p e 和有效应变S e ,ee ij S p n n 321=∆ (8)其中有效应变S e 同声波场强度I s 的关系是212⎪⎪⎭⎫⎝⎛=s s e v I S ρ (9)式中s v 是声速,ρ是介质密度。
于是(1)式写成()⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫⎝⎛=2122132622sin 2sins s eMIL v p nL λπρλπη(10)或21sin s iI I η== (11)式中,6223sn PMv ρ=2M ,是声光介质的物理参数组合,是由介质本身性质决定的量,称为声光材料的品质因数(或声光优质指标),它是选择声光介质的主要指标之一。
从(4)式可见:(a)若在超声功率P s 一定的情况下,欲使衍射光强尽量大,则要求选择M 2大的材料,并且,把换能器做成长面较窄(即L 大H 小)的形式;(b)如果超声功率足够大,使达到2π时,=100%(c)当s P 改变时,I I i 1也随之改变,因而通过控制P s (即控制加在电声换能器上的电功率)就可以达到控制衍射光强的目的,实现声光调制。
2、声光调制系统的设计 声光调制系统设计的目的:设计出一整套完整的实验系统,尽量减小其危险性,便于操作。
(1). 光源的选择本实验系统采用的是半导体激光器650nm 的红光,它具有激光的一切优点,例如相干性好,发散角小,便于在空间传输等优点。
除此之外,与He-Ne 激光器相比,它精小简携,放置在四维调整架上,易于调整。
而且本实验系统的650nm 红光是在0~2.5mW 可调的,这样就便于对光路的调节且不伤眼睛。
(2). 声光晶体的选择 很多材料都可以做声光材料使用,例如熔石英、钼酸铅、超重火石玻璃等。
这样我们就需要根据实际应用的要求进行选择,以下简述一下对本实验系统应完成的布拉格衍射所需要的晶体的选择。
通常评价声光材料性能优劣的品质因数有三个:①2M :表征材料的调制效率。
3262/s V p n M ρ=,i I I /1=η为调制效率,s p M 2∝η,故2M 越大,所需声功率s p 则越小。
②1M :评价材料的布拉格带宽的品质因数。
显然当光波和声波波长变化时,都将引起布拉格角θB 的变化,从而降低衍射效率。
对布拉格衍射,定义一级衍射光强下降到名义声波λs 的衍射光强的一半时,声频变化量Δƒs 为布拉格带宽:s s s Lf nV f πλ/8.12=∆,所以s f nV ∆∝23。
引入一个新的物理量1M ,使s sV pn MnVMρ/27221=⨯=,1M 越大,由此材料制成的调制器调制带宽越宽。
③M 3:这是表征材料声速大小的一个品质因数。
当声光器件作声光偏转用时,要求材料的声速要小,因而引入M 3=M 1/V s =n 7p 2/ρV s 2。
综上所述,对声光材料的上述要求某些是矛盾的,必须视具体问题综合考虑各因数,以确定适当的声光材料。
对于布拉格衍射,我们需要M 1,M 2,M 3均越大越好的声光材料,同时兼顾价钱等因素,我们的实验系统采取了钼酸铅晶体,它的各项品质因数为M 13.15=,M 2=23.7,M 3=24.9。
(3). 旋转平台的使用将声光晶体固定在旋转平台上,平台上有水平调节螺栓和角度调节螺栓,利用水平调节螺栓可以任意调整声光晶体的位置,待声光晶体位置大致确定以后,锁紧水平调节螺栓,然后旋转角度调节螺栓(±5˚精确调节),就可以改变光强在各级光斑上的分布。
原有的旋转平台具有调节俯仰的功能,但是应用这样的旋转平台就会使声光晶体通光孔高度过高,导致整套系统比例失调,考虑到旋转平台的俯仰功能作用不大 ,所以现在采用的旋转平台去掉了这一部分,进而使得比例适当,稳定性好,易于调节。
(4) 横向微调滑座的使用为了可以方便的选择我们所需要的某级衍射光进行调制,设计并使用了可以横向微调的滑座,滑座上有精密刻度的横移调节机构(cm 2±),将小孔光阑和接收放大器分别放在两个横向微调滑座上,调整好高度,在这种情况下,只要微调横向螺杆,就可以对衍射光精确定位。
四.实验内容1、观察声光调制的衍射现象调节激光束的亮度,使在相屏中心有明晰的光点呈现,此即为声光调制的0级光斑; 打开声光调制电压,微调载物平台上声光调制器的转向,以改变声光调制器的光束入射角,即可出现因声光调制而出现的衍射光斑;仔细调节光束对声光调制器的角度,当+1级(或者-1级)衍射光最强时,声光调制器即运转在布拉格条件下的偏转状态。
注:布拉格衍射一级衍射达到极值的条件是:1)控制电压为一特定的值;2)入射激光必须以特定的角度布拉格角α入射。
2、测量声光调制器的衍射效率定义:在作用距离L 处衍射光强和入射光强之比为声光衍射效率。
衍射效率0max I I d =η,其中max d I 为最大衍射光强,0I 为0级光强。
3、计算声光调制偏转角定义1级光和0级光间的距离为d ,声光调制器到接收孔之间的距离为L,由于L 〉〉d ,即可求出声光调制的偏转角: d θ≈Ld4、测量超声波的波速将超声波频率F ,偏转角d θ与激光波长代入ds F V θλ=,其中nm 650=λ,将求出的dθ一起带入上式即可求得。
[注意事项]1、调节过程中必须避免激光直射人眼,以免对眼睛造成危害。