实验一 声光调制实验剖析

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。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。

首先考虑行波的情况，设平面纵声波在介质中沿x 方向传播，声波扰动介质中的质点位移可写成

()x k t u u s s -=ωcos 01 (1)

μ0是质点振动的振幅，ωs 是声波频率，k s 是声波波矢量的模。相应的应变场是

()x k t k u x

u S s s s -=∂∂-=ωsin 01 (2) 对各向同性介质，折射率分布为

()()x k t n n t x n s s -∆+=ωsin , (3)

声行波在某一瞬间是对介质的作用情况如图1所示。图中密集区（黑）表示介质受到压缩，密度增大，相应的折射率也增大；稀疏区（白）表示介质密度变小，折射率减小。介质折射率n 增大或减小呈现交替变化，变化周期是声波周期，同时又以声速s s

s k v ω=向前传播。

图1 声行波形成的超声光栅

对于驻波的情况，考虑两个相向传播的同频声行波的叠加，质点位移可以写成

)sin()cos(201t x k u u s s ω= (4)

而介质折射率为 ())sin()sin(,t x k n n t x n s s ω∆+= (5)

图2 声驻波形成的超声光栅 因驻波效应(5)式中的n ∆应是(3)式的2倍。图2给出了声驻波情况下介质折射率的变化情况，其中在图中的曲线t+T s /4和t+3T s /4表示左、右行波。从图中可见，声波在一个周期T s 之内，介质呈现两层疏密层结构，在波节处介质密度保持不变，因而在波腹处折射率每隔半个周期T s /2就变化一次。这样，作为超声光栅，它将交替出现和消失，其交替变化的频率为原驻波周期的二倍，即2ωs 。

3、声光效应

声光效应是指光波在介质中传播时，被超声波场衍射或散射的现象。由于声波是一种弹性波，声波在介质中传播会产生弹性应力或应变，这种现象称为弹光效应。介质弹性形变导致介质密度交替变化，从而引起介质折射率的周期变化，并形成折射率光栅。当光波

在介质中传播时，就会发生衍射现象，衍射光的强度、频率和方向等将随着超生场的变化而变化。声光调制就是基于这种效应来实现其光调制及光偏转的。

4、声光衍射分类

根据声波频率的高低和声光作用的超声场长度的大小的不同，声光效应可以分为拉曼－奈斯声光(Ram-Nath)衍射和布拉格(Bragg)衍射两种。

（1）区分拉曼－奈斯衍射和布拉格衍射的定量标准：

从理论上说，拉曼－奈斯衍射和布拉格衍射是在改变声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Ω、光束入射角1θ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

22/cos 2/cos s i s i G k L k L θπλλθ== (6)

当L 小且λs 大(G <<1)时，为拉曼－奈斯衍射；而当L 大且λs 小(G >>1)时，为布拉格衍射。为了寻求一个实用标准，即当G 参数大到一定值后，除0级和+1级外，其他各级衍射光的强度都很小，可以忽略不计。达到这种情况时即认为已进入布拉格衍射区。经过多年的实践，现已普遍采用下列定量标准：

(a) G ≥4π时为布拉格衍射区

(b) G ＜π时为拉曼－奈斯衍射区

为便于应用，又引入量L 0=λs cos θi /λ≈λs 2/λ，则G=2πL/L 0。因此，上面的定量标准可以写成： (a) L ≥2L 0 为布拉格衍射区

(b) L ≤L 0/2 为拉曼－奈斯衍射区

式中，L 0称为声光器件的特征长度。引入了参数L 0可使器件的设计十分简便。由于λs =νs /ƒs 和λ=λ0/n ，故L 0不仅与介质的性质（νs 和n ）有关，而且与工作条件（ƒs 和λ0）有关。事实上，L 0反映了声光互作用的主要特征。

产生条件上的区别：

表1 拉曼-奈斯衍射和布拉格衍射产生条件上的区别

现象上的区别:

(1) 拉曼-奈斯声光衍射

拉曼-奈斯声光衍射的结果，使光波在原场分成一组衍射光，它们分别对应于确定的衍