声光效应及声光模拟通信实验教案

实验 声光效应实验【学史背景】声光效应就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,这种现象就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与应用研究的迅速发展。

声光效应为控制激光束的频率、方向与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、与可调谐滤光器等,在激光技术、光信号处理与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与实验规律;2.了解喇曼－纳斯衍射与布喇格衍射的实验条件与特点;3.测量不同激光(红光、蓝光、绿光)与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与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与反常声光效应之分。

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。

反常声光效应就是制造高性能声光偏转器与可调滤波器的基础。

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,并且运用动量匹配与失配等概念对正常与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 声光衍射设声光介质中的超声行波就是沿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。

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。

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。

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。

声光效应实 验者：杨亿斌(06325107) 合作者：吴聪(06325096)（中山大学物理系，光信息科学与技术06级3班）2008年12月31日[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。

[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：1ij j j x y η= （1）描述。

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 kl P S η∆= （2）这就是著名的Pockels 效应。

为简单起见，这里只考虑各个相同性介质中声纵波的情况，这样折射率n 和光弹系数P 都可以看作常量。

有，21()PS nη∆=∆= 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=为声波场。

P 表示单位应变所应起的2(1/)n 的变化，为光弹系数。

得301sin()sin()2n n PS kx t kx t μ∆=-Ω=-Ω于是()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：000()()sin()x n x k l k l kx t φφμ∆==∆+-Ω （7） 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。

声光效应电子教案一、实验目的①了解声光效应原理②了解布拉格衍射现象的实验条件和特点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二、实验原理简述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。

主要用途有：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。

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。

三、实验仪器的结构或原理简图及仪器简介主要实验仪器如图1所示：有半导体激光器、声光器件及转角平台（图2）、超声波功率信号源、频率计、光强仪、示波器、光具座、支架、导线等附件。

各仪器原理、具体型号及参数见声光效应实验讲义。

图1 声光效应主要实验仪器图2 转角平台和声光器件四、实验测试要求（实验内容）①按照实验讲义完成实验仪器的连接。

②打开激光器、光强仪、示波器，调节光路，直至在示波器上显示一稳定完整的单峰波形。

小班科学教案声和光声和光是小班科学教案中的一部分，它们是孩子们探索自然界的重要组成部分。

通过学习声和光的特性和现象，孩子们可以理解和欣赏自然界的奇迹，并培养他们的观察力和科学思维。

本文将介绍一节针对小班学生的声和光科学教案，帮助孩子们通过亲身实验和互动学习声和光的基本知识。

一、教案概述1. 教学目标- 了解声音和光的基本特性；- 观察和探索声音和光的现象；- 培养观察力和科学思维；- 增强团队合作和沟通能力。

2. 适用对象本教案适用于小班学生（4-5岁），通过亲身实验和互动学习声音和光的基本知识。

3. 教学时间本教案建议安排为2个课时，每个课时约为30分钟。

二、教学准备1. 教具准备- 不同颜色的透明玻璃纸- 磁带录音机- 一盏手电筒- 一个小哨子或手摇铃- 一块镜子2. 教学环境- 教室中心区域设立实验桌和座位，以方便学生进行实验和讨论。

三、教学步骤第一课时：声1. 导入教师向学生展示一张红色的透明玻璃纸，并询问学生对红色的声音的想象。

然后，教师用红色透明玻璃纸把磁带录音机贴好，播放一段愉悦的音乐。

学生通过观察和听觉感受，了解红色与音乐之间的联系。

2. 实验探究教师介绍声音是怎样传播的，引导学生一起进行实验。

教师在教室的不同位置用磁带录音机播放同一段音乐，学生观察并记录声音的传播方向和距离上的变化。

3. 总结讨论教师与学生一起总结实验结果，引导学生发现声音的传播需要媒介（如空气）并可以被障碍物（如墙壁）阻碍。

鼓励学生提出问题并讨论声音的特性。

第二课时：光1. 导入教师向学生展示一块镜子，并引导学生观察和描述镜子的特点。

然后，教师向学生展示其他颜色的透明玻璃纸，并通过问答的方式引导学生了解不同颜色的透明玻璃纸对光的影响。

2. 实验探究教师带领学生进行实验，让学生观察光的传播和折射现象。

教师在一盏手电筒前面放置不同颜色的透明玻璃纸，学生观察透过玻璃纸后的光线颜色和方向的变化。

3. 总结讨论教师与学生一起总结实验结果，引导学生发现光可以在不同介质中传播，并在与媒介界面交互时发生折射。

一、教案基本信息声光效应及声光模拟通信实验教案课时安排：2课时教学目标：1. 让学生了解声光效应的基本概念。

2. 使学生掌握声光模拟通信的原理和应用。

3. 培养学生进行实验操作和数据分析的能力。

教学重点：1. 声光效应的基本原理。

2. 声光模拟通信的实现方法。

教学难点：1. 声光效应的实验操作。

2. 声光模拟通信的数据分析。

二、教学方法与手段教学方法：1. 讲授法：讲解声光效应的基本原理和声光模拟通信的实现方法。

2. 实验法：进行声光效应及声光模拟通信实验，培养学生的实践操作能力。

3. 讨论法：引导学生探讨实验结果，培养学生的分析问题和解决问题的能力。

教学手段：1. 投影仪：展示声光效应和声光模拟通信的相关图片和视频。

2. 实验设备：进行声光效应及声光模拟通信实验。

3. 计算机：处理实验数据，进行数据分析。

三、教学内容与步骤第一节：声光效应的基本概念1. 声光效应的定义2. 声光效应的产生原因3. 声光效应的应用领域第二节：声光模拟通信的原理1. 声光模拟通信的定义2. 声光模拟通信的实现方法3. 声光模拟通信的优点和缺点第三节：声光效应及声光模拟通信实验1. 实验目的2. 实验原理3. 实验器材与步骤4. 实验注意事项第四节：实验数据分析1. 数据处理方法2. 数据分析结果3. 实验结果讨论四、教学评价1. 课堂问答：检查学生对声光效应和声光模拟通信的理解程度。

2. 实验报告：评估学生在实验操作和数据分析方面的能力。

3. 学生互评：让学生相互评价，促进课堂互动。

五、教学反思在教学过程中，教师应密切关注学生的学习情况，针对学生的实际水平进行讲解和指导。

对于声光效应和声光模拟通信的重点、难点内容，教师应进行详细讲解，以帮助学生理解和掌握。

在实验环节，教师要确保学生掌握实验操作技巧，并能安全、规范地进行实验。

教师要引导学生进行实验数据分析，培养学生的数据分析能力。

六、实验一：声光效应观察【实验目的】1. 观察声光效应的现象。

声光效应及声光模拟通信实验教案一、教学目标1. 让学生了解声光效应的基本概念，理解声光模拟通信的原理。

2. 培养学生进行实验操作的能力，提高学生的科学探究能力。

3. 增强学生对物理实验的兴趣，培养学生的创新意识和团队合作精神。

二、教学内容1. 声光效应的基本概念2. 声光模拟通信的原理3. 声光模拟通信实验的操作步骤和注意事项三、教学重点与难点1. 教学重点：声光效应的基本概念，声光模拟通信的原理。

2. 教学难点：声光模拟通信实验的操作步骤和注意事项。

四、教学方法1. 采用讲授法，讲解声光效应的基本概念和声光模拟通信的原理。

2. 采用实验法，进行声光模拟通信实验，让学生亲身体验声光效应。

3. 采用讨论法，引导学生探讨声光模拟通信实验的原理和操作步骤。

五、教学过程1. 导入：通过展示声光效应的实例，引起学生的兴趣，导入新课。

2. 讲解：讲解声光效应的基本概念和声光模拟通信的原理。

3. 实验：进行声光模拟通信实验，让学生亲身体验声光效应。

4. 讨论：引导学生探讨声光模拟通信实验的原理和操作步骤。

5. 总结：总结本节课的主要内容和知识点，布置课后作业。

1. 课堂讲解评估：观察学生对声光效应和声光模拟通信原理的理解程度，以及参与讨论的积极性和思考问题的深度。

2. 实验操作评估：检查学生在实验过程中的操作规范性、实验数据的准确性和对实验结果的分析能力。

3. 课后作业评估：通过学生提交的课后作业，评估学生对课堂所学知识的掌握情况。

七、教学资源1. 教材或教参：声光效应及声光模拟通信相关理论的教材或参考资料。

2. 实验器材：声光模拟通信实验所需的器材，如光源、光敏电阻、放大器、示波器等。

3. 网络资源：声光效应及声光模拟通信的相关视频、论文、科普文章等。

八、教学进度安排第1课时：介绍声光效应及声光模拟通信实验的背景知识第2课时：讲解声光效应的基本概念和声光模拟通信的原理第3课时：进行声光模拟通信实验，让学生亲身体验声光效应第4课时：讨论声光模拟通信实验的原理和操作步骤第5课时：总结本节课的主要内容和知识点，布置课后作业九、课后作业1. 复习课堂所学内容，整理声光效应和声光模拟通信的基本概念。