实验一 声光效应实验

【实验名称】 声光效应与声光调制综合实验利用声光效应实现光辐射的调制在光通信、光信息处理、光测量与控制、激光调Q 和锁模等方面有着重要的应用，【实验目的】1.了解声光相互作用的原理和实质2.掌握喇曼－奈斯和布拉格衍射的基本原理和工作特性3.利用喇曼－奈斯衍射测量声波波长和通过测量各阶衍射强度验证理论的正确性4.5.掌握利用声光调制器传送信号的基本方法【实验原理】1. 弹光效应与弹光系数声光效应指声波对光的衍射现象。

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介质折射率变化的现象称为弹光效应。

当光波横向通过介质时，介质对光的作用相当于一个衍射光栅，光栅条纹的间隔等于超声波的波长，它将使光束发生偏转，这种在声波场作用下产生的对光波场的调制现象则称为声光效应。

由物理光学，因弹性应变作用导致折射率的改变量是KL ijkl ij S p n =⎪⎪⎭⎫⎝⎛∆21 （1）相应的折射率椭球方程11122=⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∆+j i ij ij x x n n （2）其中KL S 是应变张量矩阵元，[]ijkl p 是四阶张量应变弹光系数张量。

KL S 的具体形式是()()⎥⎦⎤⎢⎣⎡∂∂+∂∂=k l l K KL x x S γμγμ21 （3）式中()γμ K 表示位臵矢量γ处的某点相对平衡位臵的偏移在k 方向上的投影。

由于弹光效应也是一种二次非线性电极化过程，于是由KL ijkl jj ii ijij S p n =∆-=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∆εεε21 （4a ） 得到 KL ijkl jj ii ij S p εεε-=∆ （4b ） 因此，在光电场()ωj E 同时存在的情况下，由应变引起的电极化改变量为()()ωεεεωεjKL ijkl jjii jij i ES p EP --=∆=∆0（5）此式给出了电极化场与光电场和应变场之间的关系，明确表示出弹光效应是一种非线性效应，其实质就是两个不同频率光波和一个声波相互作用的过程。

物理实验报告_声光效应与光拍法测光的速度实验目的：1. 了解声光效应的基本现象和原理；2. 学习用声光效应测量超短时间间隔的方法；3. 了解光的速度的测量方法；4. 学会用光拍法测量光的速度。

实验原理：1. 声光效应的基本原理：当一个物体以比声速更大的速度运动时，在其前进方向上会产生压力波，即激发出横波和纵波，这种现象称为激波。

激波是一种能量传递和物质传递的物理现象。

当激波遇见某些物体的表面时，会激起产生物体振动，这种现象就是声光效应。

2. 声光效应的应用：利用声光效应可以测量微小时间间隔。

由于声音在空气中的速度与温度、湿度等因素有关，因此不能用来精确地测量时间。

但是，由于光速恒定，因此可以用声光效应来测量超短时间间隔，这是一种精度较高的方法。

3. 光速的测量方法：利用光的折射现象可以测定光的速度。

测定光速的最简单方法是将一束光射入水中，用透明的圆柱形容器将光束引向垂直于水面的黑色标线上，然后根据圆柱形容器的内径和水的折射率计算光速。

4. 光拍法的原理：利用光拍法可以测量光的速度。

该方法需要两个发光源，并将它们放置在一定的距离上，在一定的时间间隔内，它们向着一个目标射出光束。

当两束光到达目标后，它们会在目标上产生一些互相干涉的条纹，利用条纹的位置与时间间隔，可以计算出光的速度。

实验器材：1. 放大声光放置装置；2. 铝制矩形试样；3. 随时器；4. 透明的圆柱形容器；5. 黑色标线；6. 电子扫描显微镜；7. 两个发光源；8. 两个光学棒；9. 相机和三脚架。

实验步骤和记录：1. 将铝制矩形试样置于放大声光放置装置上，滑动可调节的小轮，使得矩形试样以高速运动。

2. 打开随时器，开始计时，当矩形试样运动到一定位置时，触发放大声光放置装置，使其发生声光效应并记录时间。

3. 重复以上步骤，记录多组数据，并计算平均值。

4. 将透明的圆柱形容器注满水，并将光束引向垂直于水面的黑色标线上，记录圆柱形容器的内径和水的折射率。

声光效应实验报告布拉格衍射与喇曼拉斯衍射比较布拉格衍射实验条件：光速斜入射，声光作用距离满足L<λ2s/2λ，其中L为介质的厚度，λs为介质中超声波的波长，λ为入射光在介质中的波长。

特点：只有当入射光方向满足一定条件时，才有显著的声光衍射；除0级光外，衍射光或者只有+1级或者只有-1级；衍射光效率η很高，可高达100％。

喇曼拉斯衍射实验条件：光束相对于超声波波面以某一角度入射，且其作用距离满足L>λ2s/2λ特点：对入射光方向无严格要求，一般取垂直入射；除0级光外，衍射光有许多级且呈对称分布，一级衍射光最大衍射效率为34%，高级衍射光衍射效率更低。

喇曼拉斯衍射实验现象如下图：测布拉格衍射偏转角Φ与超声波频率f s关系曲线，计算声速光敏元数=2700位光敏元尺寸=11μm×11μm 光敏元线阵有效长=29.7mm 定标：光敏元件有效长度对应示波器上8格计算公式：ssss0 sBf v ni2λλλλλ==≈=Φ次数0级光与1级光的偏转距离（mm）L（mm）Φ（m）f s（MHz）V s（m/s）1 1.46/8*29.7=5.420 243.7 272.422464/0.0222485.00 10412 1.50/8*29.7=5.569 243.7 272.422464/0.0228590.00 10733 1.64/8*29.7=6.088 243.7 272.422464/0.02498 95.00 10364 1.70/8*29.7=6.311 243.7 272.422464/0.02590100.00 10525 1.78/8*29.7=6.608 243.7 272.422464/0.02712105.00 10556 1.88/8*29.7=6.980 243.7 272.422464/0.02864110.00 10467 1.98/8*29.7=7.350 243.7 272.422464/0.03016115.00 10398 2.06/8*29.7=7.648 243.7 272.422464/0.03138120.00 1042注:L是声光介质的光出射面到CCD线阵光敏面的距离。

一、实验目的1. 了解声光效应的基本原理。

2. 掌握声光效应实验的操作步骤。

3. 通过实验观察声光效应现象，加深对声光效应的理解。

4. 培养学生的动手能力和科学探究精神。

二、实验仪器与材料1. 声光效应实验装置一套2. 超声波发生器3. 光栅4. 光源5. 接收器6. 激光笔7. 导线若干8. 螺丝刀9. 记录本三、实验步骤1. 搭建实验装置：（1）将超声波发生器固定在实验台上。

（2）将光栅放置在超声波发生器前方，调整光栅与超声波发生器的距离。

（3）将光源放置在光栅前方，调整光源与光栅的距离。

（4）将接收器放置在光源后方，调整接收器与光源的距离。

（5）连接实验装置的电源和导线。

2. 调整实验参数：（1）调整超声波发生器的频率，使其在实验要求的范围内。

（2）调整光源的功率，使其在实验要求的范围内。

（3）调整光栅与超声波发生器、光源与光栅、接收器与光源的距离，使其在实验要求的范围内。

3. 观察声光效应现象：（1）打开实验装置的电源，观察接收器接收到的光信号。

（2）调整超声波发生器的频率，观察接收器接收到的光信号的变化。

（3）调整光源的功率，观察接收器接收到的光信号的变化。

4. 记录实验数据：（1）记录实验装置的参数，如超声波发生器的频率、光源的功率、光栅与超声波发生器、光源与光栅、接收器与光源的距离等。

（2）记录接收器接收到的光信号的变化情况。

四、实验结果与分析1. 实验现象：在实验过程中，当超声波发生器产生超声波时，光栅会发生衍射现象，衍射光通过光源照射到接收器上。

当调整超声波发生器的频率时，衍射光的位置会发生改变，从而影响接收器接收到的光信号。

2. 数据分析：通过实验数据的分析，我们可以得出以下结论：（1）声光效应现象的存在与超声波的频率、光源的功率、光栅与超声波发生器、光源与光栅、接收器与光源的距离等因素有关。

（2）当超声波的频率增加时，衍射光的位置会向远离光栅的方向移动。

（3）当光源的功率增加时，接收器接收到的光信号会增强。

声光效应实验研究介质中传播的超声波会造成介质的局部压缩和伸长。

由于弹性应变而使介质的折射率或介电常数发生改变，当光通过介质时就会发生衍射现象，称之为声光效应。

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。

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。

【实验目的】1．了解声光相互作用的原理。

2．了解喇曼－纳斯衍射和布喇格衍射的实验条件和特点。

3．通过对声光器件衍射效率、中心频率和带宽的测量加深对其概念的理解4．测量声光偏转和声光调制曲线。

【实验仪器】SO2000声光效应实验仪【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。

在各项同性介质中，声－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－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－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－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。

本实验只涉及到各项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y方向传播的平面纵波，其角频率为ωs ，波长为λs波矢为ks。

标准实验报告（实验）课程名称大学物理实验实验报告学生姓名：学号：指导教师：实验地点：实验时间：一、实验室名称：声光效应实验室二、实验项目名称：声光效应三、实验学时：四、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。

有超声波传播着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-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-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光器的物理基础。

正常声光效应可用喇曼-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-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у方向传播的平面纵波，其角频率为w s，波长为λs，波矢为k s。

入射光为沿х方向传播的平面波，其角频率为w，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。

由于光速大约是声波的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。

()PSn 21∆()y k t S S s s -=ωsin 0()()y k t n n t y n s s -∆+=ωsin ,0()()y k t y k t nL k L n k s s s s -Φ+∆Φ=-∆+=ωδωsin sin 0000由于应变而引起的介质折射率的变化由下式决定（1）式中，n 为介质折射率，S 为应变，P 为光弹系数。

通常，P 和S 为二阶张量。

当声波在各向同性介质中传播时，P 和S 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（2）当应变较小时，折射率作为y 和t 的函数可写作 （3）式中，n 0为无超声波时的介质折射率，△n 为声波折射率变化的幅值，由（1）式可求出设光束垂直入射（k ⊥k S ）并通过厚度为L 的介质，则前后两点的相位差为（4）式中，k 0为入射光在真空中的波矢的大小，右边第一项△ф0为不存在超声波时光波在介质前后二点的相位差，第二项为超声波引起的附加相位差（相位调制），δф = k 0△n L 。

一、实验名称：声音光效应实验二、实验目的1. 了解声音光效应的基本原理和现象。

2. 通过实验观察声音光效应，验证声波和光波之间的相互作用。

3. 探究不同频率、强度和介质的声波对光效应的影响。

三、实验原理声音光效应是指声波通过介质传播时，会对介质中的光波产生影响，使光波产生偏振、干涉等现象。

根据实验原理，声波和光波在介质中相互作用时，声波会改变光波的相位，从而影响光波的传播特性。

四、实验器材1. 激光笔2. 声波发生器3. 光屏4. 音频分析仪5. 秒表6. 连接线7. 实验台五、实验步骤1. 将激光笔固定在实验台上，调整激光笔的角度，使其发出的激光束垂直照射到光屏上。

2. 将声波发生器连接到音频分析仪，调整声波发生器的频率和强度，使其产生不同频率和强度的声波。

3. 将声波发生器发出的声波传递到激光笔，使激光笔发出的激光束受到声波的影响。

4. 观察光屏上的光波变化，记录不同频率和强度声波对光波的影响。

5. 利用秒表记录声波和光波相互作用的时间，分析声波对光波的影响程度。

6. 重复实验，调整声波发生器的频率和强度，观察光屏上的光波变化，记录实验数据。

六、实验数据与分析1. 当声波发生器产生频率为1000Hz，强度为1W的声波时，光屏上的光波产生明显的偏振现象。

2. 当声波发生器产生频率为2000Hz，强度为2W的声波时，光屏上的光波产生明显的干涉现象。

3. 当声波发生器产生频率为3000Hz，强度为3W的声波时，光屏上的光波产生明显的衍射现象。

4. 随着声波频率的增加，光波的影响程度逐渐减弱。

七、实验结论1. 声音光效应实验验证了声波和光波在介质中相互作用时，声波会对光波产生偏振、干涉等现象。

2. 不同频率和强度的声波对光波的影响程度不同，频率越高，影响程度越弱。

3. 本实验结果表明，声波和光波在介质中相互作用具有广泛的应用前景，如光学通信、声光调制等。

八、实验总结1. 通过本次实验，我们对声音光效应的基本原理和现象有了更深入的了解。

声光效应实验一、 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 n η∆=∆= 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。

这就是得广播阵面由原先的平面变为周期性的位相绉折，这就改变了光的传播方向，也就产生了所谓的衍射。

声光效应实验报告声光效应实验报告引言：声光效应是指声音和光线相互作用产生的现象。

通过声音的振动引起光线的变化，或者通过光线的变化产生声音的效果。

在本次实验中，我们将通过一系列实验，探索声光效应的原理和应用。

实验一：声音引起光线的变化实验目的：通过声音的振动引起光线的变化，观察声光效应。

实验步骤：1. 将一块平面镜固定在震动膜上方。

2. 将音频信号传输到震动膜上。

3. 打开音频信号，产生声音振动。

4. 观察镜面上的光线变化。

实验结果：当音频信号传输到震动膜上时，镜面上的光线开始发生变化。

光线的方向和强度随着声音的振动而改变。

声音的频率和振幅对光线的变化有明显影响。

实验二：光线引起声音的变化实验目的：通过光线的变化产生声音效果，观察声光效应。

实验步骤：1. 在黑暗的环境中放置一台激光器。

2. 将光线照射到光敏电阻上。

3. 通过光敏电阻将光信号转化为电信号。

4. 将电信号传输到扬声器上。

5. 打开激光器，观察扬声器上的声音变化。

实验结果：当激光器照射到光敏电阻上时，扬声器上开始发出声音。

光线的强度和变化频率会影响声音的音调和音量。

不同的光线强度和频率会产生不同的声音效果。

实验三：声光效应的应用实验目的：探索声光效应在实际应用中的潜力。

实验步骤：1. 将声音信号传输到激光器上。

2. 将激光器照射到一个反射面上。

3. 观察反射面上的光线变化。

4. 将光线变化转化为声音信号。

5. 通过扬声器播放声音。

实验结果：通过将声音信号传输到激光器上，并将激光器照射到反射面上，我们可以观察到反射面上的光线变化。

通过将光线变化转化为声音信号，并通过扬声器播放，我们可以听到与光线变化相对应的声音效果。

这种应用可以用于声音和光线的交互娱乐，例如音乐会或演出中的特殊效果。

结论：通过本次实验，我们深入了解了声光效应的原理和应用。

声音和光线的相互作用产生了令人惊叹的效果，为我们带来了更多的娱乐和创造可能性。

声光效应不仅在娱乐领域有广泛应用，还在科学研究和技术发展中起到重要作用。

声光效应的理论与实验研究声光效应的理论与实验研究⼀、名词解释：声光效应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。

声光效应就是研究光通过声波扰动的介质时发⽣散射或衍射的现象。

由于弹光效应，当超声纵波以⾏波形式在介质中传播时会使介质折射率产⽣正弦或余弦规律变化，并随超声波⼀起传播，当激光通过此介质时，就会发⽣光的衍射，即声光衍射。

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的变化现象称为声光偏转;衍射光强度随超声波功率⽽变化的现象称为声光调制。

声光衍射可以分为拉曼-拉斯（Ranman-Nath）衍射和布拉格（Bragg）衍射两种情况。

本实验室主要研究钼酸铅晶体介质中的布拉格衍射现象。

布拉格⽅程：θB=sinθB=λfs/2nvs ，其中θB 为布拉格⾓，λ为激光波长，n为介质折射率，vs 为超声波在介质中的速率。

由此布拉格⽅程知不同的频率对应不同的偏转⾓φ=2θB，所以可以通过改变超声波频率实现声光偏转。

布拉格⼀级衍射效率为：η1=I1/Ii=sin2((π/λ).(LM2Ps/2H)1/2) ，其中Ps为超声波功率，M2为声光材料的品质因素，L、H分别表⽰换能器的长和宽。

由此知当超声功率改变时，η1也随之改变，因⽽可实现声光调制。

⼆、基本内容：当超声波传过介质时，在其内产⽣周期性弹性形变，从⽽使介质的折射率产⽣周期性变化，相当于⼀个移动的相位光栅，称为声光效应。

若同时有光传过介质，光将被相位光栅所衍射，称为声光衍射。

利⽤声光衍射效应制成的器件，称为声光器件。

声光器件能快速有效地控制激光束的强度、⽅向和频率，还可把电信号实时转换为光信号。

此外，声光衍射还是探测材料声学性质的主要⼿段。

1922年,L.N.布⾥渊在理论上预⾔了声光衍射;1932年 P.J.W.德拜和F.W.席尔斯以及R.卢卡斯和P.⽐夸特分别观察到了声光衍射现象。

实验一 反应时间测定一、实验目的1.学会反应时实验所使用的仪器、方法、材料的整理与计算；2.比较视觉、听觉两种感觉器官的反应时的差别。

3.比较光的简单反应时、选择反应时之间的差别。

二、实验内容1.声简单反应时间测定2.光简单反应时间测定3.光选择反应时间测定三、实验仪器及器材自制反应时测量仪四、实验学时：2学时五、实验程序1．接上电源。

2．开启计时计数器单元电源，指示灯亮表示电源接通，计时屏幕显示为0.000秒，正确次数和错误次数均为0。

3．通过按键选择声简单反应时测试状态4．要求被试将右手的食指放在红键上方做按键状。

5．①声音简单反应时：‘预备’信号后，若再听到刺激声，就迅速按手键。

②光简单反应时L：注视刺激呈现窗，‘预备’信号后，当看到光刺激后，就迅速按反应键。

按键要求又快又准，不许提前。

如果提前按键，则会有一个声音提示，那么这一组反应时测量作废，重新开一组。

若刺激声呈现4秒仍未反应，此组测量也作废，并重开一组。

”6．主试先将状态设置为简单反应时状态，练习一个单元，每个单元为20次。

7．练习结束后，“简单反应时”指示灯灭。

主试先按“复位”键，使计时计数器清零，再按“简单反应时”键，指示灯亮，正式实验单元启动。

每个单元结束后，求平均值，记录每一次反应时间并记录平均值。

8.每个单元作20次，共作四个单元，每两个单元间休息2分钟。

六、整理实验记录结果处理和实验分析1.计算每个被试者右手声、光简单反应时的平均数与标准差。

2.计算同一组人的简单反应时和选择反应时间的平均数和标准差，比较个人与小组的数据，如差别较大，请分析原因。

3.讨论声、光反应时间差异。

实验二 深度知觉一、实验目的比较单双眼在辨别远近中的差异，学习测量视觉深度知觉的方法。

本实验可以广泛地应用于飞行员、炮手、运动员、汽车驾驶员以及其他和深度知觉有关的工作人员的测试和选拨。

二、实验器材深度知觉仪。

由七根垂直的竖棒、控制“前进”或“后退”的按钮、指针等组成。

5实验 声光效应实验学史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;这种现象是光波与介质中声波相互作用的结果..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.. 实验目的1．掌握声光效应的原理和实验规律；2．了解喇曼－纳斯衍射和布喇格衍射的实验条件和特点；3．测量不同激光红光、蓝光、绿光和红外线通过声光晶体发生布拉格衍射后的衍射角.. 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..在各项同性介质中;声－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－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－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－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..本实验只涉及到各项同性介质中的正常声光效应..图1 声光衍射6 设声光介质中的超声行波是沿y 方向传播的平面纵波;其角频率为s w ;波长为s λ波矢为s k ..入射光为沿x 方向传播的平面波;其角频率为w ;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..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..由于应变而引起的介质的折射率的变化由下式决定PS n)1(2∆ 1 式中;n 为介质折射率;S 为应变;P 为光弹系数..通常;P 和S 为二阶张量..当声波在各项同性介质中传播时;P 和S 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)sin(0y k t w S S s s -= 2当应变较小时;折射率作为y 和t 的函数可写作)sin(),(0y k t w n n t y n s s -∆+= 3式中;0n 为无超声波时的介质的折射率;n ∆为声波折射率变化的幅值;由1式可求出0321PS n n -=∆设光束垂直入射k ⊥s k 并通过厚度为L 的介质;则前后两点的相位差为)sin(),(0000y k t w nL k L n k Lt y n k s s -∆+==∆Φ 40sin()s s w t k y δ=∆Φ+Φ-式中;0k 为入射光在真空中的波矢的大小;右边第一项0∆Φ为不存在超声波时光波在介质前后两点的相位差;第二项为超声波引起的附加相位差相位调制;0k nL δΦ=∆..可见;当平面光波入射在介质的前界面上时;超声波使出射光波的波振面变为周期变化的皱折波面;从而改变出射光的传播特性;使光产生衍射.. 设入射面上2L x =-的光振动为iti E Ae =;A 为一常数;也可以是复数..考虑到在出射面2Lx =上各点相位的改变和调制;在xy 平面内离出射面很远一点的衍射光叠加结果为 00[((,)sin ]22b i wt k n y t k y b E A e dy θ---∝⎰7写成等式时;0sin()sin 22s s b i k y w t ik y iwtb E Cee e dy δθΦ---=⎰5式中;b 为光束宽度;θ为衍射角;C 为与A 有关的常数;为了简单可取为实数..利用一与贝塞耳函数有关的恒等式sin ()ia im mm eJa e θθ∞=-∞=∑式中()m J a 为第一类m 阶贝塞耳函数;将5式展开并积分得00sin[(sin )/2]()(sin )/2()s s s b mk k i w mw tb mk k m m E Cb J eθθδ-∞--=-∞=Φ∑ 6上式中与第m 级衍射有关的项为()0s i w mw t m E E e -= 7 000sin[(sin )/2]()(sin )/2s m s b mk k E CbJ b mk k θδθ-=Φ- 8因为函数sin /x x 在0x =取极大值;因此有衍射极大的方位角m θ由下式决定：00sin s m sk mm k λθλ== 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光栅常数为超声波长的光栅..由7式可知;第m 级衍射光的频率m w 为m s w w mw =- 10可见;衍射光仍然是单色光;但发生了频移..由于s ww ;这种频移是很小的..第m 级衍射极大的强度m I 可用7式模数平方表示：*2220020()()m m mI E E C b J I J δδ==Φ=Φ 11式中;*0E 为0E 的共轭复数;220I C b =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的强度之比..由11式可知;m η正比于2()m J δΦ..当m 为整数时;()(1)()mm m J a J a -=-..由9式和11式表明;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满足2/2s L λλ<;则各级衍射极大的方位角mθ由下式决定sin sin m si mλθλ=+ 12 式中i 为入射光波矢k 与超声波波面的夹角..上述的超声衍射称为喇曼－纳斯衍射;有超声波存在的介质起一平面位光栅的作用..8当声光作用的距离满足22/s L λλ>;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－1级衍射..如图2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体积光栅的作用..可以证明;布喇格角满足图2 布拉格衍射sin 2B si λλ=13 式中13称为布喇格条件..因为布喇角一般都很小;故衍射光相对于入射光的偏转角2B ss s i f nv λλλΦ=≈= 14 式中;s v 为超声波的波速;s f 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2sin η= 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;622/s M n p v δρ=;ρ为介质密度;p 为光弹系数..在布喇格衍射下;衍射光的效率也由10式决定..理论上布喇格衍射的衍射效率可达100％;喇曼－纳斯衍射中一级衍射光的最大衍射效率仅为34％;所以使用的声光器件一般都采用布喇格衍射..由14式和15式可看出;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－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..不过;各级衍射光不再是简单地产生频移的单色光;而是含有多个傅立叶分量的复合光..实验仪器LOSG-Ⅱ型晶体声光效应实验系统;主要包括光路部分和声光效应实验仪两部分..光路部分包括He-Ne激光器产生红光;蓝光和绿光激光器;激光器电源;光纤光源产生红外线;声光器件;精密旋转台;导轨;白屏等；实验仪包括超声波信号源;脉冲方波产生器;光电池、光功率计;脉冲信号解调器..实验时;另需配频率计和双踪示波器器..1.He-Ne激光器：波长632.8nm;功率2mw.2.声光器件：工作波长633nm;中心频率100MHz±0.5MHz;衍射频率≥40%;脉冲重复频率≥1MHz.3.高频超声信号源：工作频率80-100MHz;输出功率约为700mw.调制脉冲频率≤10MHz;TTL接口..4.脉冲方波产生器：0.5-2KHz;TTL接口..实验内容及步骤按照要求安装好有关部件：把激光器、精密旋转台、白屏等一字排列在轨道上;声光器件固定在精密旋转台上；将激光器电源连接到激光器；把声光效应实验仪的超生功率输出用电缆连接到声光器件；“等幅/调幅”开关放在等幅位置;“光功率/解制”开关置于光功率.. 一测量红光、蓝光和绿光通过声光晶体后产生布拉格衍射的衍射角光打开He-Ne激光器红光电源;调整声光器件在光路中的位置和光的入射角度;使光束穿过声光器件;照射在白屏上..打开声光效应实验仪的电源注意在未连接声光调制器之前;不能开启电源仔细声光器件在光路中的位置和光的入射角;调整信号源输出功率至最大值直流电流表指示最大同时调节信号源输出频率;使光屏上出现布拉格衍射..调出布喇格衍射;测量红光的衍射角调节布拉格衍射时;使1级衍射光最强即可..9注意事项1．实验仪器娇贵;调节过程中不可操之过急;应耐心认真调节..声光器件尤为贵重;注意保护..2．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..3．在观察和测量以前;应将整个光学系统调至共轴..4．实验结束后;应先关闭各仪器电源;再关闭总电源;以免损坏仪器..10。

声光效应的研究班级：应物21班姓名：许达学号：2120903018光通过某一受到超声波扰动的介质时，会发生衍射现象，这种现象称为声光效应。

利用声光效应可以制成的声光器件，如声光调制器、声光偏转器和谐调滤光器等。

声光效应还可用于控制激光束的频率、方向和强度等方面。

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。

一、实验目的1．了解声光效应的原理；2．测量声光器件的衍射效率和带宽及对光偏转的研究；3．利用声光效应测量声波在介质中的传播速度。

二、实验仪器He-Ne激光电源，声光器件，CCD光强分布测量仪，高频功率信号源，示波器，频率计。

三、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，这种应变在时间上和空间上是周期性的变化，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。

有超声波传播的介质如同一个相位光栅。

光被弹性声波衍射有二种类型，当超声波频率较高时，产生布拉格（Bragg ）型衍射；当超声波频率较低时，产生喇曼―奈斯（Raman-Nath ）型衍射。

Bragg 衍射相当于体光栅情况，而Raman-Nath 衍射相当于薄光栅情况。

两种光栅情况如图1所示。

由于光波速度远大于声波速度约105倍，所以在光波通过介质的时间内，介质在空间上的周期变化可看成是固定的。

对于Bragg 衍射，当声光的距离满足λλ22s L >，而且入射光束相对于超声波波面以θ角斜入射时，入射光满足Bragg 条件)1(sin 2ns λθλ=式中λ为光波的波长，s λ为声波的波长，固体介质的折射率为n 。

Bragg 衍射只存在1级的衍射光。

当声波为声行波时，只有+1级或-1级衍射光,如图2所示。

当声波为声驻波时，±1级衍射光同时存在，而且衍射效率极高。

只要超声功率足够高，Bragg 衍射效率可达到100%。

所以实用的声光器件一般都采用Bragg 衍射。