试验一声光调制试验剖析

实验一声光调制实验 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衍射现 象的研究提供了良好的光源，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 有着重要应用。声光效应已广泛应用于声学、光学和光电子学。近年来，随着声光技术的不 断发展， 人们已广泛地开始采用声光器件在激光腔内进行锁膜或作为连续器件的Q 开关。 由 于声光器件具有输入电压低驱动功率小、 温度稳定性好、 能承受较大光功率、 光学系统简单、 响应时间快、控制方便等优点，加之新一代的优质声光材料的发现，使声光器件具有良好的 发展前景，它将不断地满足工业、科学、军事等方面的需求。 一、实验目的一、实验目的 1、掌握声光调制的基本原理。 2、了解声光器件的工作原理。 3、了解布拉格声光衍射和拉曼—奈斯声光衍射的区别。 4、观察布拉格声光衍射现象。 二、实验原理二、实验原理 （一）声光调制的物理基础（一）声光调制的物理基础 1 1、弹光效应、弹光效应 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性变化， 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折 射率变化的现象称为弹光效应。弹光效应存在于一切物质。 2 2、声光栅、声光栅 当声波通过介质传播时，介质就会产生和声波信号相应的、随时间和空间周期性变化 的相位。这部分受扰动的介质等效为一个“相位光栅” 。其光栅常数就是声波波长λs，这种 光栅称为超声光栅。声波在介质中传播时，有行波和驻波两种形式。特点是行波形成的超 声光栅的栅面在空间是移动的，而驻波场形成的超声光栅栅面是驻立不动的。 当超声波传播到声光晶体时，它由一端传向另一端。到达另一端时，如果遇到吸声物 质，超声波将被吸声物质吸收，而在声光晶体中形成行波。由于机械波的压缩和伸长作用， 则在声光晶体中形成行波式的疏密相间的构造，也就是行波形式的光栅。 当超声波传播到声光晶体时， 它由一端传向另一端。如果遇见反声物质， 超声波将被反 声物质反射， 在返回途中和入射波叠加而在声光晶体中形成驻波。 由于机械波压缩伸长作用， 在声光晶体中形成驻波形式的疏密相同的构造，也就是驻波形式的光栅。 首先考虑行波的情况， 设平面纵声波在介质中沿x 方向传播， 声波扰动介质中的质点位 移可写成 u 1  u 0 cos st ks x (1) μ0是质点振动的振幅，ωs是声波频率，ks是声波波矢量的模。相应的应变场是 S   u 1 u 0ks sin st  ks x (2) x 对各向同性介质，折射率分布为 nx,t n nsin st ks x (3) 声行波在某一瞬间是对介质的作用情况如图 1 所示。图中密集区（黑）表示介质受到压 缩，密度增大，相应的折射率也增大；稀疏区（白）表示介质密度变小，折射率减小。介质 折射率n增大或减小呈现交替变化，变化周期是声波周期，同时又以声速v s   s k s 向前传播。 图 1声行波形成的超声光栅 对于驻波的情况，考虑两个相向传播的同频声行波的叠加，质点位移可以写成 u 1  2u 0 cos(k s x)sin( st) (4) 而介质折射率为 nx,t n  nsin(k s x)sin( st) (5) 图 2声驻波形成的超声光栅 因驻波效应(5)式中的n应是(3)式的 2 倍。 图 2 给出了声驻波情况下介质折射率的变化 情况，其中在图中的曲线 t+Ts/4 和 t+3Ts/4 表示左、右行波。从图中可见，声波在一个周期 Ts之内，介质呈现两层疏密层结构， 在波节处介质密度保持不变， 因而在波腹处折射率每隔 半个周期 Ts/2 就变化一次。这样，作为超声光栅，它将交替出现和消失，其交替变化的频 率为原驻波周期的二倍，即2ωs。 3 3、声光效应、声光效应 声光效应是指光波在介质中传播时，被超声波场衍射或散射的现象。由于声波是一种 弹性波，声波在介质中传播会产生弹性应力或应变，这种现象称为弹光效应。介质弹性形 变导致介质密度交替变化，从而引起介质折射率的周期变化，并形成折射率光栅。当光波 在介质中传播时，就会发生衍射现象，衍射光的强度、频率和方向等将随着超生场的变化 而变化。声光调制就是基于这种效应来实现其光调制及光偏转的。 4 4、声光衍射分类、声光衍射分类 根据声波频率的高低和声光作用的超声场长度的大小的不同，声光效应可以分为拉曼 －奈斯声光(Ram-Nath)衍射和布拉格(Bragg)衍射两种。 （（1 1）区分拉曼－奈斯衍射和布拉格衍射的定量标准：）区分拉曼－奈斯衍射和布拉格衍射的定量标准： 从理论上说，拉曼－奈斯衍射和布拉格衍射是在改变声光衍射参数时出现的两种极端 情况。影响出现两种衍射情况的主要参数是声波长、光束入射角 1及声光作用距离 L。 为了给出区分两种衍射的定量标准，特引入参数G 来表征 G  k s 2L/k i cos 2L/ s 2cos i (6) 当L小且 λs大(G1)时，为布拉格衍 射。为了寻求一个实用标准，即当G 参数大到一定值后，除0 级和+1 级外，其他各级衍射 光的强度都很小，可以忽略不计。达到这种情况时即认为已进入布拉格衍射区。经过多年 的实践，现已普遍采用下列定量标准： (a) G≥4π 时为布拉格衍射区 (b) G＜π 时为拉曼－奈斯衍射区 为便于应用，又引入量 L0=λscosθi/λ≈λs2/λ，则 G=2πL/L0。因此，上面的定量标准可以 写成：(a)L≥2L0为布拉格衍射区 (b)L≤L0/2 为拉曼－奈斯衍射区 式中，L0称为声光器件的特征长度。引入了参数 L0可使器件的设计十分简便。由于 λs=νs/ƒs和 λ=λ0/n，故 L0不仅与介质的性质（νs和 n）有关，而且与工作条件（ƒs和 λ0）有 关。事实上，L0反映了声光互作用的主要特征。 产生条件上的区别：产生条件上的区别： 表 1拉曼-奈斯衍射和布拉格衍射产生条件上的区别 拉曼拉曼- -奈斯衍射奈斯衍射 声光作用长度较短 超声波的频率较低 光波垂直于声场传播的方向 此时的声光晶体相当于一个“平面光栅” 现象上的区别现象上的区别: : (1) 拉曼-奈斯声光衍射 拉曼-奈斯声光衍射的结果，使光波在原场分成一组衍射光，它们分别对应于确定的衍 布拉格衍射布拉格衍射 声光作用长度较长 超声波的频率较高 光束与声波波面间以一定的角度斜入射 此时的声光晶体相当于一个“立体光栅” 射角 θ m （即传播方向）和衍射强度，这一组光是离散型的。各级衍射光对称的分布在零级 衍射光两侧，且同级次衍射光的强度相等。这是拉曼-奈斯衍射的主要特征之一。另外，无 吸收时衍射光各级极值光强之和等于入射光强，即光功率是守恒的。 （2）布拉格声光衍射 如果声波频率较高，且声光作用