声光效应实验

声 光 效 应
正常声光效应：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。可用衍射光栅假设作出解释。
反常声光效应：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。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，波长为λs ，波矢为 ks（ks = 2 s ）。入射光为沿 x方向传播的平面波，其 角频率为 ，在介质中的波长为 λ ，波矢为k 。 介质内的弹性应变也以行波形式随声波一起传播。 2 当声光作用的距离较小，满足 L< s 2 时，由 于光速大约是声速的 105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。
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。 • 声光效应是制造高性能声光偏振器件 和可调谐滤光器的物理基础。
声光效应发展
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。

1 应变引起的介质折射率的变化 PS 2 n
n为介质折射率，S 为应变， P为光弹系数形式传播，所以可写成 S=S0sins t k s y
当应变S较小时，折射率作为y和t的函数可写 作 n( y, t ) n0 + n sin s t k s y
n 为声致折 n0 为无超声波时的介质折射率 ， 射率变化的幅值。 n
1 3 n PS0 2
设光束垂直入射（k 垂直于 ks），并通过厚 度L为 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
k0 n( y, t ) L k0n0L + k0nsins k s y
其中，与第m级衍射有关的项为：
Em = E0e
i ms t
sin[b(mks k0 sin ) / 2] E0 CbJm ( ) b(mks k0 sin ) / 2
函数 sin x x 在 x 0 时取极大值，因此衍射 极大的方位角 由下式决定
0 sin m sin i m s
sin m sin i m
s
i为人射光波矢 与超声波波面之间的夹角 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。
布喇格衍射
当声光作用的距离满足L> 22 ，而且光 s 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-1 级衍射。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。 布喇格条件： sin i B =λ/2λs
+sins k s y
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。
i t 设入射面上的光振动为 Ei = A ，A为一 常数，也可以是复数。考虑到在出射面上各 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
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。 第m 级衍射光的频率 为 m = m s
可见，衍射光仍然是单色光，但发生了频移。 且这种频移是很小的。
喇曼—纳斯衍射
当光束斜入射时，如果声光作用的距离 2 仍满足 L < s 2 ，则各级衍射极大的方位角 由下式决定： 0
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。 有拉曼－奈斯衍射和布拉格衍射两种类型。 主要用途：制作声光调制器件，制作声光偏 转器件，声光调Q开关，可调谐滤光器，在光 信号处理和集成光通讯方面的应用。
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:
vs为超声波的波速，fs为超声波的频率，其它量的意义 同前。在布喇格衍射条件下，一级衍射光的效率为
M 2 LPs = sin 2 H 0 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。
e
E Ce
it

b/2
b / 2
e
i sin( k S y S t ) ik0 y sin
e
dy
b为光束宽度， 为衍射角，C为与A及 0有关 的常数，为了简单可取为实数。
展开并积分得：
E Cb J m ( )e
m

i ( ms ) t
sin[b(mks k 0 sin ) / 2] b(mks k 0 sin ) / 2
声光效应介绍
定义：介质中的超声波对光的衍射现象。
超声波通过介质时会造成介质的局部压缩 和伸长而产生弹性应变，该应变随时间和空 间作周期性变化，使介质出现疏密相间的现 象，如同一个相位光栅 。当光通过这一受到 超声波扰动的介质时就会发生衍射现象，这 种现象称之为声光效应acoustooptic effect。