声光效应实验论文汇.doc

普通物理实验C 课程论文 题 目　　声光效应实验研究 学 院 物理科学与技术学院 专 业 物理学（师范） 年 级 2009级 学 号 222009315210288 姓 名 黄劲海 指 导 教 师 邓涛 论 文 成 绩 _____________________ 答 辩 成 绩 _____________________ 2010 年 12 月 8 日 声光效应实验研究 黄劲海 西南大学物理科学与技术学院，重庆 400715 摘要：本文探讨了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。这种现象称之为声光效应。在实验中，应用CCD光强分布测量仪等，通过改变超声波的频率和功率。分别实现了对激光束方向的控制和强度的调制；定量给出了声光偏转量的关系曲线和声光调制测量的关系曲线。本文就声光效应中的声光偏转原理和声光调制原理的现象及有关物理量进行定性或定量的分析。 关键词：声光效应；超声波频率；偏转角；超声波功率；衍射效率 引言 声光效应是指光通过某一受到超声波扰动的介质时发生的衍射现象，这种现象是光波与介质中声波相互作用的结果。早在20世纪30年代对声光衍射的实验研究就已经开始了。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。本实验研究就是通过实验对声光效应有一定的认识与了解，并对有关物理量进行定性或定量分析。 1　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。 1．1 两种声光效应 声光效应有正常声光效应和反常声光效应之分。在各项同性介质中，声－光相互作用不会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。 1．2 超声横波对光波的衍射 图1声光衍射 如图１所示，设声光介质中的超声横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。 1．2．1　应变与介质折射率的变化关系 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，应变也以横波形式传播，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） 1．2．2 喇曼－纳斯衍射 式（4）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