晶体的声光效应实验(设计与研究性实验) (3)

物理与信息工程系实验（预习）报告预习报告成绩实验报告成绩指导教师实验课程：物理设计与研究性实验实验项目：晶体的声光效应实验专业12级第组姓名学号实验日期：年月日气温气压<一>、实验目的：1．了解声光效应的原理。2．了解布喇格衍射的实验条件和特点。3．测量声光声光器件衍射效率。<二>、实验仪器F-SG1080型声光效应实验仪<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。图1声光衍射超声波传播时，如前进波被一个平面反|射，会反向传播。在一定条件下前进波与反射波可以形成驻波。由于驻波小振幅可以达到单一行波的两倍，加剧了波源和和反射面之间的的疏密程度，某时刻，驻波的任一波节两边的质点都涌向这一点，使该节点附近形成密集区，而相邻波节处为质点稀疏处；半个周期后，这个节点附近的质点向两边散开形成稀疏区，而相邻波节处变为密集区。设声光介质中的超声行波是沿方向传播的平面纵波，其角频率为，波长为波矢为。入射光为沿方向传播的平面波，其角频率为，在介质中的波长为，波矢为。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。

1由于应变而引起的介质的|折射率的变化由下式决定（1）式中，为介质折射率，为应变，为光弹系数。通常，和为二阶张量。当声波在各项同性介质中传播时，和可作为标量处理，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，折射率作为和的函数可写作（3）式中，为无超声波时的介质的折射率，为声波折射率变化的幅值，由（1）式可求出设光束垂直入射（⊥）并通过厚度为的介质，则前后两点的相位差为（4）式中，为入射光在真空中的波矢的大小，右边第一项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），。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。设入射面上的光振动为，为一常数，也可以是复数。考虑到在出射面上各点相位的改变和调制，在平面内离出射面很远一点的衍射光叠加结果为写成等式时，（5）式中，为光束宽度，为衍射角，为与

2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式中为（第一类）阶贝塞耳函数，将（5）式展开并积分得（6）上式中与第级衍射有关的项为（7）（8）因为函数在取极大值，因此有衍射极大的方位角由下式决定：（9）式中，为真空中光的波长，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，第级衍射|光的频率为（10）可见，衍射光仍然是单色光，但发生了频移。由于，这种频移是很小的。第m级衍射极大的强度可用（7）式模数平方表示：（11）式中，为的共轭复数，第级衍射极大的衍射效率定义为第级衍射光的强度与入射光的强度之比。由（11）式可知，正比于。当为整数时，。由（9）式和（11）式表明，各级衍射光相对于零级对称分布。<四>、实验内容和数据记录（1）声光偏转角的测量利用游标卡尺在距声光调制器L长度的接收屏幕上，测量1级与1级光点之间的距离d。选取不同的Li，测量相应的di。实验的数据记录如下表：

3次数声光调制器到接收屏的距离L（mm）0级光与1级光的偏转距离d（mm）Φ(rad)=d/|L4006008001000（1）声光效率的测定改变声光调制器的驱动电源U，分别测出0级衍射光功率Po和1级衍射光功率P1，实验的数据记录如下表：电压值U（V）0级光的功率P0（mW）1级光的功率P1（mW）衍射效率η=P1/P0【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。