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声光效应年级专业 中山大学 08光信息科学与技术 实验者 曾令宇08323045 合作者 冯劼 08323034 日期 2010.10.26/2010.11.2【实验目的】1理解声光效应的原理，了解Raman-Nath 衍射和Bragg 衍射的分别。
2通过对声光器件衍射效率，中心频率和带宽等的测量，加深对其概念的理解。
3测量声光偏转和声光调制曲线。
4模拟激光通讯实验。
【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ηij x i x j =1Pockels 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∆ηij =P ijkl S kl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∆=∆=， 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。
考虑如图一的情况，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：0sin()k l kx t μ-Ω （二）声光光偏转和光平移把入射单色平面光波近似看作光子和声子。
声光相互作用可以归结为光子和声子的弹性碰撞，这种碰撞应当遵守动量守恒和能量守恒定律，前者导致光偏转，后者导致光频移。
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。
光声光谱的物理学研究和应用光声光谱是一种非常有用的技术，可以用于研究物质的结构和化学成分。
本文将介绍光声光谱的基本原理、实验方法和应用领域。
一、光声光谱的基本原理光声光谱是一种通过光声效应研究物质的结构和化学成分的技术。
在这个过程中，物质被激发产生声波，这些声波被测量并用于确定物质的光学和声学特性。
光声效应是指当物质被短脉冲激发时，吸收能量并产生声波的现象。
这种效应是由于光的吸收和热膨胀引起的。
在光声光谱中，使用激光作为光源，将其聚焦到样品表面，产生短脉冲。
这些光脉冲被吸收并转化为声波，然后被传播到样品内部。
这些声波与样品内部的分子相互作用，并产生其他声波，这些声波可以被测量。
通过对这些声波的测量，可以确定样品的光学和声学特性，从而确定其化学成分和结构。
二、光声光谱的实验方法在进行光声光谱实验时，需要一个光源、一个样品和一个声音传感器。
以下是一个基本的实验流程：准备样品：将要研究的物质准备好，并将其放置在一个透明的容器中。
调整激光：将激光聚焦在样品表面上，并调整其功率和脉冲宽度。
产生声波：激光短脉冲会被样品吸收，并转化为声波。
这些声波会传播到样品内部，并与分子相互作用。
检测声波：通过声音传感器检测产生的声波，并记录其幅度和频率。
分析结果：通过对记录的声波数据进行分析，可以确定样品的光学和声学特性，从而确定其化学成分和结构。
三、光声光谱的应用领域光声光谱是一种非常有用的技术，可以用于研究各种不同类型的物质。
以下是一些光声光谱的应用领域：医学诊断：光声光谱可以用于医一半，接下来是：医学诊断光声光谱可以用于医学诊断，例如用于检测肿瘤和其他疾病。
通过对组织和细胞的光声光谱进行分析，可以确定其化学成分和结构，从而确定其是否异常。
这种技术还可以用于生物分子的研究，例如酶和蛋白质的研究。
材料研究光声光谱可以用于材料研究，例如用于研究纳米材料和表面性质。
通过对材料的光声光谱进行分析，可以确定其化学成分和结构，从而确定其性质。
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、实验目的1. 了解声光器件的基本原理和结构；2. 掌握声光器件的实验操作方法和步骤；3. 通过实验，加深对声光器件性能和应用的理解。
二、实验原理声光器件是利用声波与光波之间的相互作用，实现对光波的调制、偏转、聚焦等功能的一种光电器件。
声光器件的基本原理是：当声波在介质中传播时，会引起介质的弹性应变，从而导致介质的折射率发生变化。
当光波通过这一受到声波扰动的介质时，会发生衍射现象，这种现象称为声光效应。
三、实验仪器与设备1. 声光实验装置；2. 激光器；3. 光束探测器；4. 光学显微镜；5. 计算机及数据采集软件。
四、实验步骤1. 连接实验装置，确保各个部件连接正确；2. 开启激光器，调整激光输出功率，使其达到实验要求；3. 调整声光器件，使其与激光器光轴平行；4. 观察光束通过声光器件后的衍射现象，调整实验参数，记录实验数据；5. 改变声光器件的实验参数，观察光束偏转、聚焦等效果，记录实验数据；6. 利用光学显微镜观察声光器件的衍射光斑，分析声光器件的性能；7. 对实验数据进行处理和分析，得出实验结论。
五、实验结果与分析1. 实验过程中，观察到光束通过声光器件后，发生了明显的衍射现象，光斑大小与声光器件的参数有关；2. 通过调整声光器件的实验参数，实现了光束的偏转、聚焦等功能；3. 利用光学显微镜观察声光器件的衍射光斑，发现衍射光斑的均匀性较好，说明声光器件的性能稳定；4. 对实验数据进行处理和分析，得出以下结论：（1）声光器件的衍射效率与声光器件的厚度、声波频率、光波波长等因素有关；（2）声光器件的偏转角度与声光器件的参数、入射光束角度等因素有关；（3）声光器件的聚焦效果与声光器件的参数、入射光束角度等因素有关。
六、实验总结1. 通过本次实验，掌握了声光器件的基本原理和实验操作方法；2. 加深了对声光器件性能和应用的理解；3. 实验结果表明，声光器件具有优良的性能，在激光技术、光学通信等领域具有广泛的应用前景。
一、实验目的1. 了解声光效应的原理和现象。
2. 掌握声光器件的基本结构和操作方法。
3. 通过实验验证声光效应，分析声光器件的衍射效率、中心频率和带宽等参数。
4. 掌握声光器件在实际应用中的调制、偏转等功能。
二、实验原理声光效应是指当光通过受到超声波扰动的介质时，会发生衍射现象。
超声波在介质中传播时，会引起介质的弹性应变作时间上和空间上的周期性变化，从而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。
在声光效应中，介质内的弹性应变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。
当超声波在各向同性的介质中传播时，微小应变引起的折射率的变化为：△n = (1/2)β·△u其中，△n为折射率的变化量，β为介质的声光系数，△u为介质应变的变化量。
设声光介质中的超声行波是沿z方向传播的平面纵波，其角频率为ωs，波长为λs，波矢为ks。
入射光为沿z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。
介质内的弹性应变也以行波形式随声波一起传播。
当光束垂直入射通过厚度为L的介质时，前后两点的相位差为：△φ = 2π(△n·L/λ)根据衍射原理，光束通过声光介质后，会发生衍射现象。
衍射光相对于入射光的衍射角度θ与声光介质的厚度L、声光系数β、声波频率fs、光波频率f、光波长λ和衍射级次m之间的关系为：sinθ = (m·λs/2L)·(β/2·f)其中，m为衍射级次。
三、实验仪器与材料1. 声光效应实验装置：包括声光介质、声光控制器、光源、光探测器、示波器等。
2. 声光介质：各向同性的声光介质，如KDP、LiNbO3等。
3. 声光控制器：用于控制声光介质的超声行波参数，如频率、幅度等。
4. 光源：激光器，如He-Ne激光器。
5. 光探测器：光电倍增管，用于检测衍射光强度。
声光器件及其在大学物理实验中的应用冯一兵 冀晓群(信阳师范学院物理与电子工程学院 河南信阳 464000)摘 要:该文首先阐述了声光效应的概念;然后较详细地介绍了声光调制器、声光偏转器和可调谐声光滤光器三种声光器件;最后通过声光法测声速、声光偏转和声光可调谐滤光器测原子光谱三个实验,探讨了声光器件在大学物理实验中的应用。
关键词:声光效应;声光器件;大学物理实验;应用从上世纪三十年代人们就开始了对声光效应的研究,但在此后30年内,声光效应理论发展相当缓慢,到60年代,随着激光器的问世和超声波技术的进步,声光效应理论和应用研究得到了迅速的发展,声光效应及其器件在现代社会、科学研究乃至实验教学中得到了广泛的应用。
1.声光效应的概念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分布,此时该介质如同一个相位光栅,当光通过这一受到超声波扰动的介质时就会发生衍射,这种现象称之为声光效应。
2.常见的声光器件运用声光效应理论可制造多种声光器件,常见的声光调制器、声光偏转器和声光可调谐滤光器三种除此外还有声光Q开关、声光锁模器和声光移频器等。
下面简要介绍前三种常见的声光器件。
2.1.声光调制器声光调制是一种外调制技术,常把控制激光束强度变化的声光器件称作声光调制器(AOM)。
声光调制技术比光源直接调制技术有高得多的调制频率;与电光调制技术相比,有更好的光点质量和更低的价格;与机械调制方式相比,有更小的体积、重量和更好的输出波形。
声光调制器分为:脉冲声光调制器、线性声光调制器、红外声光调制器等。
声光调制器由声光介质和压电换能器等构成。
当驱动源的某种特定载波频率驱动换能器时,换能器即产生同一频率的超声波并传入声光介质,使介质的折射率发生周期性变化,光束通过介质时发生相互作用,产生衍射而改变光的传播方向(见图1)。
衍射模式有布喇格衍射和喇曼-纳斯型衍射。
激光腔外使用的声光调制器一般采用布喇格型,衍射角为:sin d= 0s f s,一级光衍射效率为:1=I1I T=sin22(1)上面两式中0 入射光波长; s为声光介质中的声速;I1为一级光衍射强度;L为声光相互图1 布拉格衍射原理图作用长度;H为声光相互作用宽(高)度;M2为声光品质因数;P s为声功率。
当外加信号通过驱动电源作用到声光器件时,超声强度随此信号变化,衍射光强也随之变化,从而实现了对激光的振幅或强度调制(若外加信号仅为载波频率且不随时间变化时,衍射光的频率发生变化而达到移频)。
2.2.声光偏转器声光偏转器(AOD)是控制激光光束方向变化(频率调制方式)的声光器件。
它通常采用优质的二氧化碲单晶作介质,具有宽带、频率分辨、电扫描等特点。
根据其用途,可分为:宽带扫描器、频率高分辨率器件、飞点扫描器等。
其工作原理是当入射光通过该声光器件时,其衍射光束随加到换能器上的频率不同而偏转位置在空间上会相应地发生变化(见图2)。
此时,衍射光的偏转角 及带宽范围内的动态偏转角 分别为:= 0f ss(2) =sf(3)(2)(3)式中 0为入射光波长;f s为载波频率; s为声光介质中的声速; f为频率带宽。
2.3.声光可调谐滤光器声光可调谐滤光器(AOTF)是一种声光色散器件。
与一般色散器件相比,它能以极高的速度进行电调谐(即以极快的速度完成光谱成分分析),可顺序、随机和多频方式工作以及有大的角孔径,可适用于红外、紫外区域等。
通常应用于染料激光1522007年第6期LABORATORY SC I ENCE2007年12月出版图2 声光偏转原理图器的电调谐和获得彩色图象的分色像等。
该器件利用了各向异性介质内的异常布喇格衍射有很强的角度选择这一特点。
当入射光和超声波的方向确定时,对应于某个特定的超声频率,复色光源中只有谱线宽度很窄的入射光才能满足动量匹配条件而衍射。
当改变超声波频率时,满足动量匹配条件的对应波长的光波亦相应产生衍射(如图3所示),从而可在一个比较宽的光谱范围内通过电调谐而实现分色滤光。
图3 声光可调谐滤光器原理图3.声光器件在大学物理实验中的应用3.1.声光法测声速本实验用测量频率间隔法来测量声速,实验中使用的声光器件为驻波喇曼-纳斯型声光调制器。
实验原理由声光效应理论可知,当声光调制器注入声功率时,声光介质在声场作用下形成驻波型衍射光栅,形成驻波的条件是d =m2(4)式中d 为声光介质厚度,m 为正整数。
将 = s f s 代入(4)式,可得d =m s 2f s,由此f s =m s2d(5)由(5)式可知,当d 为确定值时,可以在声光介质中形成不同频率的驻波振动,f s 大小和m 值有关.当激光束以垂直声场方向入射时,将产生喇曼-纳斯型衍射。
在声光器件中换能器的频率响应带宽 f 范围内,调节频率f s 大小,根据式(5)可知,能找到多个与衍射最强相对应的f s 值,而在两个衍射最强点之间有暗区间的过渡。
因此,可通过对衍射光点亮暗变化的辨别,来判断m 值的变化。
对式(5)取微分,即得 f = m s2d(6)令 m =1,则得 s =2d f (7)这里 f 是相邻两次使衍射光强最大值的频率间隔。
因此,当d 确定后, f 为一常数,或者说,当d 值精确测出之后,再通过频率计精确测定 f 大小,则根据公式(7)可较为精确地求出声速值。
实验装置方框图本实验装置结构框图如图4所示。
图4 声光法测声速实验装置框图实验意义声光法测声速实验有利于学生加深对声光效应的理解;有利于学生了解和掌握声光调制器的基本原理和基本技术;有利于学生掌握用声光法测量不透明介质中声速的实验方法。
3.2.声光偏转实验声光偏转是声光效应的重要应用之一,利用声光偏转制成的光扫描器可用于显示器、光存储器和夜视器等。
实验原理对于布喇格型声光器件应满足条件:sin =K 2k =f s 2 s(8)(8)式中 为布喇格入射角K =2,为声波波数,k=2,为介质中光波波数,f s 和 s 分别为声频与声速。
使用固定光源,即令 =常数时,若将声频提高,由式(8)可知,衍射角将随之变大;反之,若将声频降低,衍射角将随之变小。
因此,通过声频的改变,衍射光速偏转角发生相应变化,从而实现了声光偏转。
令透射光束和衍射光束之间的夹角为 d ,并称为衍射角,由式(8)知 d =2 =2sin -1f s 2 s 。
当声频变化一个 f,则由此引起的偏转角变化为:d = f ss cos 当 很小时,此式的近似式为:d =f ss(9) 实验装置方框图本实验装置结构框图如图5所示。
图5 声光偏转实验装置框图153 2007年第6期实 验 室 科 学2007年12月出版分光计调节中的难点突破高海林(河南工业职业技术学院 河南南阳 473009)摘 要:调整分光计通过粗调找到十字叉丝的反射像,再采用各半调节法进行细调,实际操作中寻找十字叉丝反射像为调节的难点,文中就该难点的突破提出几种方法。
关键词:分光计;调节难点;调节方法1.引言分光计是一种精确测量角度的光学仪器,可测量晶体折射角、光波波长、偏振角等物理量。
在使用分光计之前必须对它进行调整。
分光计的调整要求有三点:一是望远镜调焦于无穷远,即望远镜可接收平行光;二是望远镜光轴和载物台台面都垂直于仪器的公共转轴;三是平行光管能射出平行光束。
在这三个要求中,第一、三容易实现。
大多数教材及文献对第二个要求的处理方法是,先通过粗调找到十字叉丝反射像,再采用各半调节法进行细调,实际操作中寻找十字叉丝反射像往往成为调节的难点。
本文就该难点的突破提出几种方法。
2.望远镜调焦于无穷远处的调节[1]在望远镜的分划板上看不到绿色十字叉丝的反射像,原因有两个,一是分划板距物镜焦平面太远,二是绿色十字叉丝经平面镜反射的反射光线并没有进入望远镜中。
原因一实际上就是望远镜没有聚焦于无穷远处,无法接收平行光,突破的方法是,将平面镜紧贴在望远镜的物镜端,一般情况下,望远镜的光轴与其端口垂直,这样就能基本保证望远镜的光轴垂直于平面镜,绿色十字叉丝的反射像一般情况下就落在了望远镜的视野中,此时只需改变物镜与叉丝间的距离,直到叉丝反射像清晰为止,望远镜也就聚焦于无穷远处了。
实际操作中,原因二可能性较大,可以下几种方法进行突破。
3.平行光管辅助找像调节法[2、3、4]实验意义声光偏转实验有利于提高学生的综合设计实验能力;有利于加深学生对声光效应的理解;有利于学生了解声光偏转器的原理与特点;有利于学生掌握声光偏转器的主要参数的实验意义。
3.3声光可调谐滤光器测原子光谱实验原理运用声光可调谐滤光器可测定氢原子巴耳末线系的谱线。
打开氢光谱管,缓慢调节超声功率发生器的频率,并用CCD 测量滤光器后H 原子可见光的衍射谱线的光强,然后根据该可调谐滤光器的动量匹配条件等,即可算出氢原子巴耳末线系谱线(434.101nm )的波长,结果较准确,误差在0.01-0.02nm 左右。
实验装置图本实验装置结构框图如图6所示。
图6 声光可调谐滤光器测原子光谱实验装置框图实验意义传统研究光谱的分光仪器无论是哪种光谱仪,基本是用棱镜、光栅分光,并带有活动机械装置,误差大、速度慢、光谱调谐范围窄。
而本实验用声光可调谐滤光器作为分光元件,具有扫描速度快、精确度高、光谱调谐范围宽、无活动部件、体积小、稳定性好等优点。
由此可见,声光可调谐滤光器是研究、分析原子光谱最实用、方便、快速的仪器之一。
不过在实际使用中,也存在输出光强信号较弱,波长分辨率较低等弱点。
4 结束语利用声光效应理论制成的声光器件,为许多激光应用领域提供了很好的研究工具。
很多有关声光效应的实验是集声、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,可扩展的空间较大,是一个可供高年级学生设计的实验,在普通物理实验课或近代物理实验课中,开设有关声光效应的综合设计性实验,对提高学生的综合设计能力和创新能力具有重要的意义。
(收稿日期:2007,07,10)参考文献:[1] 李允中、董孝义.现代光学实验[M ].天津:南开大学出版社,1991:69~79.[2] 徐介平.声光器件的原理、设计和应用[M ].北京:科学出版社,1982:31~50.[3] 魏爱俭.声光可调谐滤光器在原子光谱研究中的应用[J].实验技术与管理,2003,20(6):90~94.第一作者简介:冯一兵(1970-),男,河南信阳人,硕士,信阳师范学院物理与电子工程学院讲师,主要从事物理课程与教学论及物理实验教学研究。
1542007年第6期LABORATORY SC I ENCE2007年12月出版。
