声光调制与声光偏转
实验 电光 声光调制
实验一电光调制一、实验目的：1.了解电光调制的工作原理及相关特性；2.掌握电光晶体性能参数的测量方法；二、实验原理简介：某些光学介质受到外电场作用时，它的折射率将随着外电场变化，介电系数和折射率都与方向有关，在光学性质上变为各向异性，这就是电光效应。
电光效应有两种，一种是折射率的变化量与外电场强度的一次方成比例，称为泡克耳斯（Pockels）效应；另一种是折射率的变化量与外电场强度的二次方成比例，称为克尔（Kerr）效应。
利用克尔效应制成的调制器，称为克尔盒，其中的光学介质为具有电光效应的液体有机化合物。
利用泡克耳斯效应制成的调制器，称为泡克耳斯盒，其中的光学介质为非中心对称的压电晶体。
泡克耳斯盒又有纵向调制器和横向调制器两种，图1是几种电光调制器的基本结构形式。
图1：几种电光调制器的基本结构形式a) 克尔盒 b) 纵调的泡克耳斯盒 c) 横调的泡克耳斯盒当不给克尔盒加电压时，盒中的介质是透明的，各向同性的非偏振光经过P后变为振动方向平行P光轴的平面偏振光。
通过克尔盒时不改变振动方向。
到达Q时，因光的振动方向垂直于Q光轴而被阻挡（P、Q分别为起偏器和检偏器，安装时，它们的光轴彼此垂直。
），所以Q没有光输出；给克尔盒加以电压时，盒中的介质则因有外电场的作用而具有单轴晶体的光学性质，光轴的方向平行于电场。
这时，通过它的平面偏振光则改变其振动方向。
所以，经过起偏器P产生的平面偏振光，通过克尔盒后，振动方向就不再与Q光轴垂直，而是在Q光轴方向上有光振动的分量，所以，此时Q就有光输出了。
Q的光输出强弱，与盒中的介质性质、几何尺寸、外加电压大小等因素有关。
对于结构已确定的克尔盒来说，如果外加电压是周期性变化的，则Q的光输出必然也是周期性变化的。
由此即实现了对光的调制。
泡克耳斯盒里所装的是具有泡克耳斯效应的电光晶体，它的自然状态就有单轴晶体的光学性质，安装时，使晶体的光轴平行于入射光线。
因此，纵向调制的泡克耳斯盒，电场平行于光轴，横向调制的泡克耳斯盒，电场垂直于光轴。
第三章光电子技术-2(声光调制和声光偏转).
第二部分—声光调制和磁光调制
3.6声光调制的物理基础
۩ 3.6.1超声波的概念 ۩ 3.6.2声光效应
۩ 3.6.3拉曼——奈斯衍射
۩ 3.6.4布拉格衍射 ۩ 3.6.5声光调制 ۩ 3.6.6声光偏转
3.6.1超声波的概念
世界因为有了声音而充满欢乐。我们平常听到的各种 声音只是声音世界中的一部分，范围在 20 赫兹至 20000 赫 兹之间，而 20000 赫兹以上的声音是超声，尽管听不到， 却很有意义。 超声波有两个特点，一个是能量大，一个是沿直线传 播。它的应用就是按照这两个特点展开的。 理论研究表明，在振幅相同的情况下，一个物体振动 的能量跟振动频率的二次方成正比．超声波在介质中传播 时，介质质点振动的频率很高，因而能量很大。
声光效应与电光效应
相似之处：
晶体在受到外部作用后，才出现光学性质的变化， 具体表现为折射率的分布发生改变。
区别：
电光效应中，外加电场的加入是起因。 声光效应中，造成折射率变化的因素是应变或应力。
3.6.3拉曼——奈斯衍射
1、声光衍射的定性描述：在晶体中传播的超声波，会造 成晶体的局部压缩或伸长，这种由于机械应力引起的弹 光效应使晶体的介电常量发生变化，因而折射率也发生 变化。 2、在介质中形成了周期性的有不同折射率的间隔层，这 些层以声速运动，层间保持声波波长一半（ λs/2 ）的距 离，当光通过这种分层结构时，就发生衍射，引起光强 度、频率和方向随超声场的变化。
3.6.3拉曼——奈斯衍射
声波阵面
对于垂直入射情形，相对于 0 度 方向的衍射极值角度方向由公式
λ s
入射光
sin m m s
m 0,1,2,
声光偏转器和声光调制器的基本原理
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声光调制的原理及应用
在军事上，它也有广泛应用。例如一种新式探测器：雷达波谱分析器。空军飞行员可以利用它分析射到飞机上的雷达信号来判断飞机是否被敌方跟踪。外来的雷达信号与本机内半导体激光器产生的振荡信号经混频、放大后，驱动声光调制器，产生超声波，当外来信号变化时，超声波长也变化，衍射光的角度也变化，反映在二极管列阵上，我们可以很容易的识别敌方雷达信号。
介质中折射率的变化如图1所示，声波在一个周期T内，介质将两次出现疏密层，且在波节处密度保持不变，因而折射率每隔半个周期（T/2）在波腹处变化一次，即由极大值变为极小值，或由极小值变为极大值，在两次变化的某一瞬间介质各部分折射率相同，相当于一个不受超声场作用的均匀介质。 若超声频率（即加在调制器上的信号频率）为fs时，则声光栅出现或消失的次数为2fs，因而调制光的频率为2fs（为超声频率的二倍）。
什么是声光调制
声波是一种纵向机械应力波（弹性波）。若把这种应力波作用到声光介质中时会引起介质密度呈疏密周期性变化，使介质的折射率也发生相应的周期性变化，这样声光介质在超声场的作用下，就变成了一个等效的相位光栅，如果激光作用在该光栅上，就会产生衍射。衍射光的强度、频率和方向将随超声场而变化。所谓“声光调制器”就是利用这一原理而实现光束调制或偏转的。
图4
当光束以入射角θi射入声光介质中时，由镜面产生反射，而衍射光干涉，极大值应满足条件： Δ=mλ(m=0、±1、±2……）。 2λssinθB＝λ 式中θB称为布喇格角。 只有入射角θi满足上式的入射光波，才能在θi＝θd方向上得到衍射极大值。这个式子通常称为布喇格衍射公式。 可以证明，当入射光强为Ii时。布喇格衍射的零级与1级的衍射光强可分别表示为： I0=Iicos2v/2 I1=Iisin2v/2 式中 v=2π/λΔnL 是光波穿过厚度为L的超声场所产生的相位延迟。
声光调制实验讲义
声光调制实验讲义前言早在本世纪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、了解声光器件工作原理。
2、掌握声光相互作用原理。
3、观察布拉格衍射现象。
4、研究声光调制和声光偏转的特性。
二.实验原理（一）激光调制技术的发展激光是一种光频电磁波，具有良好的相干性，与无线电波相似，可以用来作为传递信息的载波。
激光具有很高的频率（约1013~1015Hz）可供利用的频带很宽，故传递信息的容量大。
再有，光具有极短的波长和极快的传递速度，加上光波的独立传播特性，可以借助光学系统，把一个面上的二维信息以很高的分辨率瞬间传递到另一个面上，为二维并行光学信息处理提供条件。
所以激光是传递信息（包括语言、文字、图象、符号等）的一种很理想的光源。
要用激光作为信息的载体，就必须解决如何将信息加到激光上的问题，例如激光电话，就需要将语言信息加在于激光，由激光“携带”信息通过一定的传输通道（大气、光纤等）送到接收器，再由光接收器鉴别并还原成原来的信息，从而完成通话的目的。
这种将信息加载于激光的过程称之为调制，完成这一过程的装置成为调制器。
其中激光成为载波，起控制作用的低频信息称为调制信号。
第4章 声光调制 2012.10.12
(2)布拉格声光衍射的粒子模型。 上面是从光波的相干叠加来说明布拉格声光互作用原理的。
也可以从光和声的量子特性得出声光布拉格衍射条件。光束可以
看成是能量为ħωi，动量为ħki的光子(粒子)流，其中ωi和ki为光波 的角频率和波矢。同样, 声波也可以看成是能量为 ħωs 、动量为
ħ ks的声子流，声光互作用可以看成光子和声子的一系列碰撞，每
2A)，这些点称为波腹，波腹间的距离为λs ／2。在x＝(2n+1) λs
／4的各点上，驻波的振幅为零，这些点称为波节，波节之间的 距离也是λs／2。 x＝ nλs /2 x＝(2n+1) λs／4
图 1.3-2 超声驻波
由于声驻波的波腹和波节在介质中的位置是固定的，因此它形成 的光栅在空间也是固定的。声驻波形成的折射率变化(正比于介 质质点沿x方向位移的变化率, 对上式求导并令△n = - 4Aπ /λs )
光场强是所有子波源贡献的求和，即由下列积分决定：
(1.3—11)
式中，l＝sinθ (因观察角度不同引起的附加相位延迟)表示衍射方向 的正弦; q为入射光束宽度。将ν＝ (Δn)k iL ＝2π(Δn)L／λ代入上式 (ν是因折射率不同引起的附加相位延迟) ，并利用欧拉公式展开成 下面形式：
(1.3-12)
(1.3-5)
声驻波在一个周期内，介质两次出现疏密层，且在波节处密度保 持不变，因而折射率每隔半个周期(Ts／2)就在波腹处变化一次，
由极大(或极小)变为极小(或极大)。在两次变化的某一瞬间，介
质各部分的折射率相同，相当于一个没有声场作用的均匀介质。 若超声频率为fs，那么光栅出现和消失的次数则为2 fs ，因而光波 通过该介质后所得到的调制光的调制频率将为声频率的两倍。
光电子技术(声光调制和声光偏转)
声光偏转器的性能指标及评价方法
性能指标
声光偏转器的主要性能指标包括衍射效率、偏转角度、工作频率范围、响应时间等。其中，衍射效率 反映了声光相互作用的强弱，偏转角度决定了光波偏转的程度，工作频率范围和响应时间则关系到器 件的适用性和动态性能。
评价方法
通常采用实验测量的方法对声光偏转器的性能指标进行评价。例如，可以通过测量不同频率和声强下 的衍射效率和偏转角度，绘制出器件的频率响应曲线和偏转特性曲线，以全面评估器件的性能。
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声光偏转是利用声波在介质中传播时 引起的折射率梯度，使光束发生偏转 的现象。声光偏转器通常由压电晶体 和棱镜组成，当压电晶体受到声波作 用时，其折射率会发生变化，使得通 过棱镜的光束发生偏转。
声光调制和声光偏转 的应用
声光调制和声光偏转在光通信、激光 雷达、光学测量等领域具有广泛的应 用。例如，在光通信中，声光调制器 可用于实现高速光信号的调制和解调 ；在激光雷达中，声光偏转器可用于 实现光束的快速扫描和定位；在光学 测量中，声光调制和声光偏转可用于 实现高精度的光学干涉和衍射测量。
02 声光调制技术
声光调制器的基本结构和工作原理
基本结构
声光调制器主要由声光介质、压电换能器、吸声（或反射）装置及驱动电源等组 成。
工作原理
声光调制器是利用声光效应将信息加载于光频载波上的一种物理器件。当特定频 率的声波作用于声光介质时，会引起介质折射率的变化，从而使通过介质的光波 参数（如振幅、频率、相位等）随之发生变化，实现对光波的调制。
于制作光电探测器。
非线性光学材料
具有非线性光学效应的材料， 如磷酸二氢钾、铌酸锂等，用 于制作光调制器和光开关等。
5.5声光调制(new)
现给晶体加x方向的一维声场，则应变Sn为： S 根据
S1 ,0,0,0,0,0
Bm Pmn Sn
可得
B1 P 11S1
B2 B3 P 12 S1
其他为0
13
熔融石英为各向同性介质，无应力时折射率椭球方程为
x2 y2 z 2 1 2 no
加x方向应力后
或
B (x y z ) 1
5.5 声光效应与声光调制
• 1922年布里渊曾预言声波对光波具有衍射 效应，这一预言在10年后得到实验验证 • 利用声光效应可以控制光束的频率、强度、 传播方向等，相应器件在信息传输、显示、 处理等方面有广泛应用
1
• 声波从而激起介 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，使得 介质的折射率分布也随之变化，这种现象 称为声光效应
2 0 2 2 ( B0 P S ) x ( B P S )( y z ) 1 11 1 12 1
在主轴坐标系下，椭球方程可以写为
比较二式可得
x2 y2 z 2 1 2 2 n1 n2
3 no n2 no P 12 S1 2
3 no n1 no P 11S1 2
6
一、弹性形变、应力和应变
• 物体中某点附近的微元体在所有可能方向 上的应变的全体称为这一点的应变状态
• 应变为二阶张量，且为对称张量
S11 S ij S 21 S 31 S12 S 22 S 32 S13 S 23 S 33
Sij=Sji 所以有6个独立元素 其中对角元素表示正应变 非对角元素表示切应变
27
当平面波 l，2 和 3 以角度i入射至声波场，在B，C，E 各点处部分反射，产生衍射光1’，2’，3’。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 (确保同相位)
实验一声光调制实验解析
实验一 声光调制实验早在本世纪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衍射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、掌握声光调制的基本原理。
2、了解声光器件的工作原理。
3、了解布拉格声光衍射和拉曼—奈斯声光衍射的区别。
4、观察布拉格声光衍射现象。
二、实验原理（一）声光调制的物理基础1、弹光效应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质。
2、声光栅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的相位。
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。
声光偏转实验方案存在的问题及改进
收稿日期:2007-01-24作者简介:杨建荣(1966-),女,江西上饶市人,硕士、副教授,主要从事理论物理和近代物理实验的研究。
声光偏转实验方案存在的问题及改进杨建荣,叶冬连,周 景(上饶师范学院,江西上饶334001) 摘 要:分析了声光效应实验中测量布拉格衍射的声光偏转物理量存在的问题,提出了精确地测量有关量的方法,推导出正确计算偏转角和声速的公式。
关键词:声光效应;偏转角;声速中图分类号:O426.3 文献标识码:A 文章编号:1004-2237(2007)06-0023-031 引言声光效应在激光技术、光信号处理和集成光通讯技术等方面有着重要的作用,近几年来,利用声光效应制成的声光器件,为许多激光应用领域所采用[1][2]。
声光效应实验是集声、光和电为一体的综合性实验,对其中的物理量的测量有多种实验装置和方案,但都存在着问题。
由于该实验内容,可扩展的空间较大,是一个可供高年级学生设计的实验,在近代物理实验课或大学物理实验课中,开设声光效应综合设计性实验,对培养提高学生的综合设计应用能力和创新能力,具有重要的意义。
我们的实验装置中的声光器件产生的是正常声光效应,满足布拉格衍射,实验的内容包括声光偏转和声光调制的测量。
声光偏转主要测量衍射光相对于入射光的偏转角与超声波频率的关系,并计算声速。
在测量声光偏转物理量时,发现了已有实验方案存在的问题,对实验方案进行了改进,并提出了新的实验设计方案,使该综合设计性实验的方案更科学,精度更高。
2 存在的问题及实验方案的改进设声光介质中的超声行波是沿у方向传播的平面纵波,其频率为f s ,波长为λs ,波矢为k s ,速度为v s 。
入射光是沿X 方向传播的平面波,在真空中的频率为f 0,波长为λ0;在介质中的波长为λ,波矢为k 。
介质的折射率为n ,厚度为s 。
由于声光作用,产生布拉格衍射,图1为出现0级光和-1级衍射光的情况。
设介质中的一级衍射光和零级光(与X 轴)成i 1角,一级光相对零级光的偏转角为Φ1=∠BAC =2i 1。
声光调制技术
声光调制技术超声波是一种纵向机械应力波（弹性波）。
若把这种应力波作用到声光介质中时会引起介质密度呈疏密周期性变化，使介质的折射率也发生相应的周期性变化，这样声光介质在超声场的作用下，就变成了一个等效的相位光栅，如果激光作用在该光栅上，就会产生衍射。
衍射光的强度、频率和方向将随超声场而变化。
所谓“声光调制器”就是利用这一原理而实现光束调制或偏转的。
1．声光作用原理。
（1）超声波在声光介质中的作用。
声波在介质中传播分为行波和驻波两种形式。
行波所形成的声光栅其栅面是在空间移动的。
介质折射率的增大和减小是交替变化的，并且以超声波的速度Vs向前推进，其折射率的瞬时空间变化为：Δn(z.t)=Δnsin(wst-Ksz)（20－50）式中ws为超声波角频率。
在声光介质中，两列相向而行的超声波（其波长、相位和振幅均相同）产生叠加，在空间将形成超声驻波。
声驻波形成的声光栅在空间是固定的，其相位变化与时间成正弦关系。
方程为：a1(z,t)=Asin2π(t/Ts-z/λs)a2(z,t)=Asin2π(t/Ts-z/λs)（20－51）叠加后合成声波方程为：a(z,t)=a1(z,t)+a2(z,t)=2Acos2πz/λs?sin2πt/Ts（20－52）由上式可知，超声波其振幅为2Acos2πz/λ，在z轴上各点不同，但振荡相位在z轴上各点均相同，不随空间位置变化。
所以超声驻波的波腹与波节在介质中的位置将不随时间变化，因此由超声驻波形成的相位光栅是固定在空间的，其折射率的变化可表示为：Δn(z.t)=2Δnsin(wst.sinKsz（20－53）（2）声光作用。
按照超声波频率和声光介质厚度的不同，将声光作用可以分为两种类型，即喇曼－奈斯衍射和布喇格衍射。
①喇曼－奈斯衍射。
在超声波频率较低，且声光介质的厚度L又比较小的情况下，当激光垂直于超声场的传播方向入射到声光介质中时，将产生明显的喇曼－奈斯声光衍射现象。
声光调制与声光偏转
声光调制与声光偏转一、喇曼声光衍射1．喇曼声光器件⑴产生喇曼声光衍射，中心频率：40MHZ，He-Ne激光正入射。
⑵工作状态：a．直流稳压电源 +24V。
*）将正极（+）接在驱动源串芯电容中心，负极（-）接焊片接上声光器件。
*）驱动电源的RF端Qob．开启直流稳压电源+24V，此时能看到喇曼声光衍射图案。
注意：*）驱动电源开启即为+24V，无需调整；*）正负极不能接反，否则烧坏声光器件。
⑶调出最佳衍射现象He-Ne激光正入射在喇曼声光器件上，上、下、左、右调整得最佳衍射现象。
2．实验内容：⑴观察屏上衍射分布，并记录；⑵设计光路，按相干光学成像系统，找到清晰的声光栅像，记录调整步骤及声光栅象；⑶在频谱面（透镜焦面上）测量各谱点的分布，求出相应级次的衍射角及相对强度，求出声波波长（光栅栅距）。
二、布喇格声光衍射1．布喇格声光器件⑴产生布喇格声光衍射，中心频率：100MHZ⑵工作状态：a．直流稳压电源电压调至+24V与0～5V，（在双路直流稳压电源上）。
b．+24V电压接在声光驱动源（线性调制声光调制器）正极串芯电容中心，负极处。
c．+5V负极电源可与+24V负极相连接，接入0～5V Qod．检查连接无误后，开启电源。
注意：*）电源电压不得超过24V，线性电压不得超过+5V。
*）电源开启前必须接上声光器件。
2．实验内容：⑴．声光调制①接好驱动源，直流稳压电源后，开启电源，上、下、左、右调整，使出现布喇格衍射，以Q布入射时，0级或1级光最强。
②调节0～5V电源，随着电压从0逐渐升高，声光衍射的1级光强也随之增高，测量输出光强与升加电压的关系曲线，完成光强调制特性测试。
⑵声光偏转③声光偏转特性*）关闭直流稳压电源开关，用宽带高频放大器换下线性调制器。
a）将直流稳压电源电压调到+24V上，+24V电压正极接在串芯电容中心，负极接b．宽带高频放大器输出端RF接在布喇格声光器件上或带负载上，将高频信号发生器输出端接在宽带高频放大器输入端上。
声光调制器、声光移频器、声光偏转器使用手册
Tel.: +33 (0) 1 76 91 50 12 Fax.: +33 (0)1 76 91 50 31
E-mail: sales@a-a.fr
GENERAL PRECAUTIONS
Mechanical Precautions
acetone. Most of AO components use soft materials and need careful cleaning. “Oily stains” should be removed immediately to avoid irreversible marks.
Installation and Adjustment Precautions
QUANTA TECH 116 West, 23rd Street - Suite 500 New York, NY 10011 USA p1
08/05/V2
IMPORTANT........................................................................................................... 3 GENERAL PRECAUTIONS ................................................................................... 4
All of these specifications values are indicated on the test sheet of your AO component: Please refer to it.
试验2声光调制与声光偏转
实验报告课程名称： 2011-2012光信息综合实验 指导老师： 林远芳实验名称： 声光调制与声光偏转 实验类型：综合型 同组学生姓名：一、实验目的和要求 二、实验内容和原理 三、主要仪器设备、操作方法和实验步骤 四、实验结果记录、数据处理分析 五、思考题 六、实验中遇到的问题，心得体会，意见和建议一、实验目的和要求1、了解声光相互作用原理。
2、观察拉曼－奈斯衍射和布拉格衍射现象。
3、研究声光调制和声光偏转的特性。
二、实验内容和原理1、拉曼－奈斯声光衍射声波强度较弱且声光相互作用长度较短的情况下，产生多级衍射。
光束通过声光介质方向改变小，仍可将出射波看成是平面波，但声波通过媒质时，波的相位在空间将受到调制，声光媒质犹如一块相位光栅。
2、布拉格声光衍射布拉格声光衍射产生一个较强的第一级衍射，此时纵声波通过声光介质可以看作间距为声波波长的一排排反射层，由光栅方程得布拉格衍射条件为：Bi θθθ==；s B mk k =θsin 2即ss B n k k λλθ22sin ==表明出射波中只有唯一的一个峰。
又由于声波波面的运动，衍射光的频率要产生频移，可将声波面理解为运动的光源或运动的光接收器，它们的运动方向都使光频增加或缩小。
3、区分两种衍射的定量标准从理论上说，拉曼－奈斯衍射和布拉格衍射是在改变光衍射参数时出现的两种极端情况。
影响出现两种衍射情况的主要参数是，声波长λs 、入射角θi 及声光作用距离L 。
为了给出区分两种衍射的定量标准，特引入参数G 来表征，即-2ωs-1 ω-ωs+2 ωsω+ωs ωz超声波布喇格衍射波 ）入射波 （ω ）is ii i s n Lk L k G θλπλθcos 2cos 22== 当L 小且λs 大时，为拉曼－奈斯衍射；当L 大且λs 小时，为布拉格衍射。
经过多年的实践，现已普遍采用下列定量标准：拉曼－奈斯衍射区： π<G布拉格衍射区：π4≥G 为了便于应用，又引入量：i s i is n nL λλλθλ220cos ≈=，则 02L L G π=。
实验三 晶体的声光调制实验
实验三晶体的声光调制实验一、实验目的(1) 了解声光效应的原理。
(2) 了解喇曼一纳斯衍射和布喇格衍射的实验条件和特点。
(3) 测量声光偏转和声光调制曲线。
(4) 完成声光通信实验光路的安装及调试。
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伺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。
在各向同性介质中，声一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，声一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一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，可建立起声一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少方向传播的平面纵波，有超声波存在的介质起一平面相位光栅的作用。
当声光作用的距离满足L>2λs/λ，而且光束相对于超声波波面以某一角度入射时，在理想情况下除了0级之外，只出现1级或一1级衍射。
这种衍射与晶体对尤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。
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基础。
从(10)式可知，超声光栅衍射会产生频移，因此利用声光效应还可以制成频移器件。
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。
以上讨论的是超声行波对光波的衍射。
实际上，超声驻波对光波的衍射也产生喇曼一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的相同。
试验2声光调制与声光偏转
实验报告课程名称： 2011-2012光信息综合实验 指导老师： 林远芳实验名称： 声光调制与声光偏转 实验类型：综合型 同组学生姓名：一、实验目的和要求 二、实验内容和原理 三、主要仪器设备、操作方法和实验步骤 四、实验结果记录、数据处理分析 五、思考题 六、实验中遇到的问题，心得体会，意见和建议一、实验目的和要求1、了解声光相互作用原理。
2、观察拉曼－奈斯衍射和布拉格衍射现象。
3、研究声光调制和声光偏转的特性。
二、实验内容和原理1、拉曼－奈斯声光衍射声波强度较弱且声光相互作用长度较短的情况下，产生多级衍射。
光束通过声光介质方向改变小，仍可将出射波看成是平面波，但声波通过媒质时，波的相位在空间将受到调制，声光媒质犹如一块相位光栅。
2、布拉格声光衍射布拉格声光衍射产生一个较强的第一级衍射，此时纵声波通过声光介质可以看作间距为声波波长的一排排反射层，由光栅方程得布拉格衍射条件为：Bi θθθ==；s B mk k =θsin 2即ss B n k k λλθ22sin ==表明出射波中只有唯一的一个峰。
又由于声波波面的运动，衍射光的频率要产生频移，可将声波面理解为运动的光源或运动的光接收器，它们的运动方向都使光频增加或缩小。
3、区分两种衍射的定量标准从理论上说，拉曼－奈斯衍射和布拉格衍射是在改变光衍射参数时出现的两种极端情况。
影响出现两种衍射情况的主要参数是，声波长λs 、入射角θi 及声光作用距离L 。
为了给出区分两种衍射的定量标准，特引入参数G 来表征，即-2ωs-1 ω-ωs+2 ωsω+ωs ωz超声波布喇格衍射波 ）入射波 （ω ）is ii i s n Lk L k G θλπλθcos 2cos 22== 当L 小且λs 大时，为拉曼－奈斯衍射；当L 大且λs 小时，为布拉格衍射。
经过多年的实践，现已普遍采用下列定量标准：拉曼－奈斯衍射区： π<G布拉格衍射区：π4≥G 为了便于应用，又引入量：i s i is n nL λλλθλ220cos ≈=，则 02L L G π=。
Bragg Cell 布拉格盒(声光调制器)介绍
Bragg衍射
较高
较长
• Raman-Nath衍射是多级的，而Bragg
衍射只有0级和+1级（或-1级）衍射， 因此衍射光线能量更集中。
产生条件： 声波频率较高
1.2 布拉格衍射
声光作用长度较大
光束与声波波面以一定角度斜入射
1.2 布拉格衍射
1.2 布拉格衍射
1.3 器件原理
声光调制器原理图
Bragg Cell
布拉格盒（Bragg Cell）通常
作为声光调制器(AcoustoOptic modulator (AOM))的单
1. 原理
元器件。这类声光调制器基
于布拉格衍射原理，可实现
对光束的偏转，及其强度、
频率的调制。
声光效应：超声波在介质中传播 →介质中产生随时间、空间周期 变化的弹性波→折射率周期变化
3. 产品
software and integrated solutions throughout the UK & Ireland.
Acousto-Optic Devices
Driver Electronics
• Wavelengths from 300nm to • Fixed frequency integrated 10.6microns drivers • Modulators • Deflectors • 2-axis deflection systems • Frequency shifters • Q-switches & Mode lockers • OEM designs • Variable frequency integrated drivers • Dual channel drivers
3.3 声光调制
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对于布拉格型衍射，其衍射效率由前面的式给出。布拉格型 声光调制器工作原理如(b)所示。在声功率Ps (或声强Is )较小的情 况下，衍射效率s 随声强度Is单调地增加(呈线性关系)；
式中的cosθB因子是考虑了布拉格角对声光作用的影响。由式 可见，若对声强加以调制，衍射光强也就受到调制了。布拉格衍 射必须使入射光束以布拉格角θB入射，同时在相对于声波阵面对 称方向接收衍射光束时，才能得到满意的结果。布拉格衍射由于 效率高，且调制带宽较宽，故多被采用。
带宽特性的品质因数。M1值越大，声光材料制成的调制器所
允许的调制带宽越大。
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四. 声束和光束的匹配
为了充分利用声能和光能，认为声光调制器比较合理的情况 是工作于声束和光束的发散角比，
1
i (光束发散角) (声束发散角)
由前面分析可知，无论是拉曼—纳斯衍射，还是布拉格衍射， 其衍射效率均与附加相位延迟因子ν＝2πΔnL／λ有关，而其中声 致折射率差Δn正比于弹性应变幅值S，而S∝声功率Ps，故当声波 场受到信号的调制使声波振幅随之变化，则衍射光强也将随之做 相应的变化。
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二. 调制带宽
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，它受布喇格带宽的限制。
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。
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声光调制与声光偏转
一、喇曼声光衍射
1．喇曼声光器件
⑴产生喇曼声光衍射，中心频率：40MHZ，He-Ne激光正入射。
⑵工作状态：
a．直流稳压电源 +24V。
*）将正极（+）接在驱动源串芯电容中心，负极（-）接焊片
接上声光器件。
*）驱动电源的RF端Q
o
b．开启直流稳压电源+24V，此时能看到喇曼声光衍射图案。
注意：*）驱动电源开启即为+24V，无需调整；
*）正负极不能接反，否则烧坏声光器件。
⑶调出最佳衍射现象
He-Ne激光正入射在喇曼声光器件上，上、下、左、右调整得最佳衍射现象。
2．实验内容：
⑴观察屏上衍射分布，并记录；
⑵设计光路，按相干光学成像系统，找到清晰的声光栅像，记录调整步骤及声光栅象；
⑶在频谱面（透镜焦面上）测量各谱点的分布，求出相应级次的衍射角及相对强度，求出声波波长（光栅栅距）。
二、布喇格声光衍射
1．布喇格声光器件
⑴产生布喇格声光衍射，中心频率：100MHZ
⑵工作状态：
a．直流稳压电源电压调至+24V与0～5V，（在双路直流稳压电源上）。
b．+24V电压接在声光驱动源（线性调制声光调制器）正极串芯电容中心，负极
处。
c．+5V负极电源可与+24V负极相连接，接入0～5V Q
o
d．检查连接无误后，开启电源。
注意：*）电源电压不得超过24V，线性电压不得超过+5V。
*）电源开启前必须接上声光器件。
2．实验内容：
⑴．声光调制
①接好驱动源，直流稳压电源后，开启电源，上、下、左、右调整，使出现布
喇格衍射，以Q布入射时，0级或1级光最强。
②调节0～5V电源，随着电压从0逐渐升高，声光衍射的1级光强也随之增高，
测量输出光强与升加电压的关系曲线，完成光强调制特性测试。
⑵声光偏转
③声光偏转特性
*）关闭直流稳压电源开关，用宽带高频放大器换下线性调制器。
a）将直流稳压电源电压调到+24V上，+24V电压正极接在串芯电容中心，负极接
b．宽带高频放大器输出端RF接在布喇格声光器件上或带负载上，将高频信号发生器输出端接在宽带高频放大器输入端上。
c．调整高频信号发生器频率旋钮，改变频率（40MHZ～140MHZ），观察随频率变化，布喇格衍射光点衍射角的变化，再在所要求的范围内（40MHZ～140MHZ）选取10～15个频率值测量衍射角，并绘制其变化曲线。
d.小信号发生器有扫描信号输入放大器时，在宽频范围内会出现扫描光点，扫描信号的幅度大小要能推动宽带高频放大器才会有所需效果，达到随扫描频率实现偏转的目的。