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一．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，其衍射光的强度、频率、方向等都随着超声场的变化而变化，这种现象称之为声光效应。
按照声波频率的高低以及声波和光波作用长度的不同，声光相互作用可以分为拉曼—纳斯衍射和布喇格衍射两种类型。
1．拉曼—纳斯衍射当超声频率较低，光波平行于声波面入射（即垂直于声场传播方向），声光互作用长度较短时，在光波通过介质的时间内，折射率的变化可以忽略不计，则声光介质可近似看做为相对静止的“平面相位光栅”，产生拉曼—纳斯衍射。
由于声速比光速小得多，而且声波长比光波长大得多，当光波平行通过介质时，几乎不通过声波面，因此只受到相位调制，即通过光密（折射率大）部分的光波波阵面将推迟，而通过光疏（折射率小）部分的光波波阵面将超前，于是通过声光介质的平面波波阵面出现凹凸现象，变成一个折皱曲面。
由出射波阵面上各子波源发出的次波将发生相干作用，形成与入射方向对称分布的多级衍射光，这就是拉曼—纳斯衍射。
2．布喇格衍射当声波频率较高，声波作用长度较大，而且光束与声波波面间以一定的角斜入射时，光波在介质中要穿过多个声波面，故介质具有“体光栅”的性质。
当入射光与声波面间夹角满足一定条件时，介质内各级衍射光会相互干涉，各高级次衍射光将互相抵消，只出现0 级和+1 级或（-1 级）（视入射光的方向而定）衍射光，即产生布喇格衍射。
因此，若能合理选择参数，并使超声场足够强，可使入射光能量几乎全部转移到+1 级（或-1 级）衍射极值。
因而光束能量可以得到充分利用，所以，利用布喇格衍射效应制成的声光器件可以获得较高的效率。
二．声光调制：衍射光强度随超声波功率而变化的现象称为声光调制。
声光调制的工作原理：声光调制是利用声光效应将信息加载于光频载波上的一种物理过程。
第1篇一、引言声光效应是一种重要的物理现象，指的是声波在传播过程中与物质相互作用，导致物质的折射率发生变化的现象。
声光效应在光学、声学、光电子学等领域有着广泛的应用，如声光调制、声光隔离、声光开关等。
本文对声光效应的基本原理、研究进展、应用领域及发展趋势进行总结。
二、声光效应的基本原理声光效应的产生与声波在介质中的传播有关。
当声波传播到介质中时，介质的密度和折射率会发生变化，从而影响光波的传播。
根据声波与光波的相互作用，声光效应可分为以下几种类型：1. 声光折射：声波传播到介质中，使介质折射率发生变化，导致光波发生折射。
2. 声光衍射：声波与光波相互作用，使光波发生衍射。
3. 声光吸收：声波传播到介质中，使介质吸收部分光能。
4. 声光散射：声波传播到介质中，使光波发生散射。
三、声光效应的研究进展1. 声光材料的研究：近年来，随着声光材料研究的深入，新型声光材料不断涌现，如声光晶体、声光玻璃等。
这些材料具有优异的声光特性，为声光效应的应用提供了更多选择。
2. 声光器件的研究：声光器件是声光效应应用的关键，近年来，声光器件的研究取得了显著进展。
例如，声光调制器、声光隔离器、声光开关等器件在通信、光学传感等领域得到了广泛应用。
3. 声光效应在光学领域的应用：声光效应在光学领域具有广泛的应用，如光纤通信、激光雷达、光学成像等。
通过声光效应，可以实现光波的调制、隔离、开关等功能。
四、声光效应的应用领域1. 通信领域：声光调制器在光纤通信系统中具有重要作用，可以实现高速数据传输。
2. 光学传感领域：声光传感器具有高灵敏度、高稳定性等优点，在光学传感领域具有广泛应用。
3. 光学成像领域：声光效应在光学成像领域可以实现图像的快速处理、增强等功能。
4. 激光雷达领域：声光效应在激光雷达系统中可用于距离测量、目标识别等。
五、声光效应的发展趋势1. 新型声光材料的研究：未来，新型声光材料的研究将更加注重材料性能的优化，以满足不同应用领域的需求。
实验七 声光效应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。
SO2000声光效应实验仪采用了中心频率高达100MHz 的声光器件、100MHz 的功率信号源和分辨率达11μm 的CCD 光强分布测量仪，因此物理现象特别显著，仪器体积小巧，测量结果精确，适合各校实验室用于普通物理、近代物理和演示实验。
一、 硬件组成一套完整的SO2000声光效应实验仪配有：已安装在转角平台上的100MHz 声光器件、半导体激光器、100MHz 功率信号源、LM601 CCD 光强分布测量仪及光具座。
每个器件都带有ø10的立杆，可以安插在通用光具座上。
在终端，如果用示波器进行实验，则构成了示波器型SO2000；如果用计算机进行实验，则构成了微机型SO2000（微机型SO2000还需配备USB100数据采集盒及工作软件）。
1． 声光器件(声速V = 3632m/s,介质折射率n = 2.386)声光器件的结构示意图如图1所示。
它由声光介质、压电换能器和吸声材料组成。
本实验采用的声光器件中的声光介质为钼酸铅，吸声材料的作用是吸收通过介质传播到端面的超声波以建立超声行波。
将介质的端面磨成斜面或成牛角状，也可达到吸声的作用。
压电换能器又称超声发生器，由妮酸锂晶体或其它压电材料制成。
它的作用是将电功率换成声功率，并在声光介质中建立起超声场。
压电换能器既是一个机械振动系统，又是一个与功率信号源相联系的电振动系统，或者说是功率信号源的负载。
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。
实验七 声光效应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。
SO2000声光效应实验仪采用了中心频率高达100MHz 的声光器件、100MHz 的功率信号源和分辨率达11μm 的CCD 光强分布测量仪，因此物理现象特别显著，仪器体积小巧，测量结果精确，适合各校实验室用于普通物理、近代物理和演示实验。
一、 硬件组成一套完整的SO2000声光效应实验仪配有：已安装在转角平台上的100MHz 声光器件、半导体激光器、100MHz 功率信号源、LM601 CCD 光强分布测量仪及光具座。
每个器件都带有ø10的立杆，可以安插在通用光具座上。
在终端，如果用示波器进行实验，则构成了示波器型SO2000；如果用计算机进行实验，则构成了微机型SO2000（微机型SO2000还需配备USB100数据采集盒及工作软件）。
1． 声光器件(声速V = 3632m/s,介质折射率n = 2.386)声光器件的结构示意图如图1所示。
它由声光介质、压电换能器和吸声材料组成。
本实验采用的声光器件中的声光介质为钼酸铅，吸声材料的作用是吸收通过介质传播到端面的超声波以建立超声行波。
将介质的端面磨成斜面或成牛角状，也可达到吸声的作用。
压电换能器又称超声发生器，由妮酸锂晶体或其它压电材料制成。
它的作用是将电功率换成声功率，并在声光介质中建立起超声场。
压电换能器既是一个机械振动系统，又是一个与功率信号源相联系的电振动系统，或者说是功率信号源的负载。
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 λπ2）。
入射光为沿x 方向传播的平面波，其角频率为ω，在介质中的波长为λ，波矢为k （如图1）。
介质内的弹性应变也以行波形式随声波一起传播。
当声光作用的距离较小，满足L <λλ22s时，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。
图1由于应变引起的介质折射率的变化由下式决定：PS n =⎪⎭⎫ ⎝⎛∆21 （1）式中n 为介质折射率，S 为应变，P 为光弹系数。
当声波在各向同性介质中传播时，S 和P 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S =0S ()y k t s s -ωsin（2）当应变较小时，折射率作为y 和t 的函数可写作 =),(t y n 0n +n ∆()y k t s s -ωsin （3）式中0n 为无超声波时的介质折射率，n ∆为声致折射率变化的幅值。
由式（1）可求出n ∆321n -=0PS 。
设光束垂直入射（k 垂直于s k ），并通过厚度为L 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φ∆0k =L t y n ),(0k =0n L +0k ∆n ()y k s s -ωsin0φ∆=+δφ()y k s s -ωsin （4）式中0k 为入射光在真空中的波矢的大小；右边第一项0φ∆为不存在超声波时光波前后二点的相位差；第二项为超声波引起的附加相位差（相位调制），δφ=0k ∆n L 。
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。
设入射面2/L x -=上的光振动为i E ＝A t i eω，A 为一常数，也可以是复数。
考虑到在出射面2/L x =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 []⎰---∝2/2/sin ),(00b b y k L t y n k t i dy e A E θω 写成一等式时，有⎰---=2/2/sin )sin(0b b y ik t y k i t i dy e e Ce E S S θωδφω （5）式中，b 为光束宽度，θ为衍射角，C 为与A 及0φ∆有关的常数，为了简单可取为实数。
用图2与贝塞耳函数有关的恒等式∑∞-∞==m im m ia e a J e θθ)(sin式中()a J m 为第一类m 阶贝赛耳函数，将式（5）展开并积分得∑∞-∞=---=m s s t m i m k mk b k mk b e J CbE s 2/)sin (]2/)sin (sin[)(00)(θθδφωω （6） 上式中与第m 级衍射有关的项为 m E =0E ()t m i s eωω- （7） 2/)sin (]2/)sin (sin[)(000θθδφk mk b k mk b CbJ E s s m --= （8） 因为函数x x sin 在0=x 时取极大值，因此衍射极大的方位角m θ由下式决定sm m i λλθ0sin sin += （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个光栅常数为超声波长的光栅。
由式（7）可知，第m 级衍射光的频率m ω为m ω=ωs m ω- （10） 可见，衍射光仍然是单色光，但发生了频移。
由于ω>>s ω，这种频移是很小的。
第m 级衍射极大的强度m I 可用式（7）模数平方表示：m I 0E ==*0E 2C 2b ()=δφ2m J 0I ()δφ2m J （11）式中*0E 为0E 的共轭复数，0I =2C 2b 。
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强度之比。
由式（11）可知，m η正比于()δφ2m J 。
由于m 为一整数，()a J m -=()m1-()δφm J 。
式（9）和（11）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仍满足L <λλ22s ，则各级衍射极大的方位角m θ由下式决定：sm m i λλθ0sin sin += （12） 式中i 为人射光波矢k 与超声波波面之间的夹角。
上述的超声衍射称为喇曼—纳斯衍射。
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。
当声光作用的距离满足L >λλ22s ，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级或者一1级衍射，如图3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一个体积光栅的作用。
可以证明，布喇格角满足B i s i n =sλλ2 （13） 式（13）称为布喇格条件。
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α为 α=B i 2≈s λλ=snv 0λs f （14） 式中，s v 为超声波波速，s f 为超声波频率，其它量的意义同前。
在布喇格衍射的情况下，一级衍射光的衍射效率为η=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛H LP M s 2sin 202λπ （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，2M =)/(326s v P n ρ，ρ为介质密度，P 为光弹系数。
在布喇格衍射下，衍射光的频率也由式（10）决定。
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。
由式（14）和式（15）可看出，通过改变超声波的频率和功率，可分别实现对激光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物理基础。
从式（10）可知，超声光栅衍射会产生频移，因此利用声光效应还可制成频移器件。
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等。
以上讨论的是超声行波对光波的衍射。
实际上，介质中也可能出现超声驻，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时的相同。
不过，各级衍射光不再是简单地产生频移的单色光，而是含有多个傅里叶分量的复合光。
【实验装置简介】实验装置主要有He-Ne激光器、声光器件、声光器件调节架、有功率输出的高频信号图3 布喇格衍射发生器、光电接收装置和导轨等部分。
图4是实验装置示意图。
1．声光器件声光器件的结构示意如图5所示。
它由声光介质、压电换能器和吸声材料组成。
本实验采用的声光器件的声光介质为钼酸铅晶体，对氦氖激光λ＝632．8nm 其折射率n ＝2．39，声速s v ＝3．632s m /103⨯。
吸声（或反射）材料的作用是吸收（或反射）通过介质传播到端面的超声波以建立超声行波（或驻波）。
压电换能器又称超声发生器，由妮酸锂晶体或其他压电材料制成。
它的作用是将电功率转换成声功率，并在声光介质中建立起超声场。
压电换能器是一个机械振动系统，又是一个与超高频信号发生器相联系的电振动系统，或者说是超高频信号发生器的负载。
为了获得最佳的电声能量转换效率，换能器的阻抗应当于电源内阻相当匹配。
声光器件有一个衍射效率最大的工作频率，此频率称为声光器件的中心频率，记为c f 。
对于其他频率的超声波其衍射效率将降低。
规定衍射效率（或衍射光的相对光强）下降3db （即衍射效率降到最大值的一半时），两频率间的间隔为声光器件的带宽。
2．超高频信号发生器本实验采用XG －22型信号发生器，其频率范围为80MHz ～150MHz ，最大输出功率为2瓦。
使用时应注意：①不能空载，②换挡时先将功率输出调到零；③注意仪器的散热3．光电接受系统本试验的光电接受系统由硅光电池组成。
4．声光器件调节架声光器件调节架用来安放声光器件，并用于调节声光器件相对于入射光束的角度。
【实验内容及注意事项】首先将整个光学系统调至共轴，再进行以下的观察和测量：1．观察喇曼—纳斯衍射和布喇格衍射，比较两种衍射的实验条件和特点，实验可以通过改变超声波频率、改变光束人射角等来找典型的喇曼—纳斯衍射和布喇格衍射。
2．在布喇格衍射下，测量固定超声波功率条件下1级衍射光衍射效率与超声波频的关系曲线，并定出声光器件的带宽和中心频率。
实验时为了消除介质吸收的影响，入射光的强度i I ，用声光介质中无超声波存在时透射光的强度来代替，而不是直接测量光源的强度。
衍射效率η可以由衍射光的强度f I ，与入射光的强度i I 相比得到，即η=i fI I另外，由于实验所使用的声光器件性能不够完善，布喇格衍射不是理想的，会出现高级次衍射现象。
