η=
I j ( L) I i ( 0) = sin 2 ( kij L)
由于 ∆
3 1 = pijkl S kl ≈ − 23 ∆nij ，注意到 k ij = n π pijkl S kl ＝ − π ( ∆nij ) 。因此，上式可写为 2 λ n 2λ nij
∆φ π η = sin 2 ( ∆nij ) L = sin 2 ( ) 2 λ
声行波形成的超声光栅
3、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、布拉格衍射 如果声波频率较高，且声光作用长 度较大，此时的声扰动介质也不再 等效于平面位相光栅，而形成了立 体位相光栅。这时，相对声波方向 以一定角度入射的光波，其衍射光 在介质内相互干涉，使高级衍射光 相互抵消，只出现0级和1级的衍射 光，简言之，我们在屏上观察到的 是0级光斑和+1级光非常亮或者0级 光斑和-1级光很亮，而其它各级的 光强却非常弱。
大学物理实验
声光调制
一、实验目的
1、掌握声光调制的基本原理。 掌握声光调制的基本原理。 2、了解声光器件的工作原理。 了解声光器件的工作原理。
奈斯衍射的区别。 3、了解布拉格衍射和拉曼—奈斯衍射的区别。 了解布拉格衍射和拉曼 奈斯衍射的区别
4、观察布拉格声光衍射现象。 观察布拉格声光衍射现象。
二、实验仪器
声波
入射光
ω
ω1+ω
衍射光
2θ
λ
非 衍 射 光
（二）声光调制原理
1、声光调制器的组成
吸声或 反射装 置
(1)声光介质 声光介质 3 声光介 是声光互作用的场所。 质 当一束光通过变化的超 耦合 入射光 1 声场时，由于光和超声 介质 场的作用，其出射光就 5 具有随时间变化的各级 2 衍射光，利用衍射光的 ~ 4 强度随超声波强度的变 化而变化的性质，就可 电声换 驱动电 能器 以制成光强度调制器。 源 (2)电-声换能器（又称超声发生器） 它是利用某些压电晶体（石 英、LiNbO3等）或压电半导体（CdS，ZnO等）的反压电效应，在外 加电场作用下产生机械振动而形成超声波，所以它起着将电功率转 换成声功率的作用。 (3)吸声（或反射）装置 它放置在超声元的对面，用以吸收已通 过介质的声波（工作于行波状态），以免返回介质产生干扰，但要 使超声场工作在驻波状态，则需要将吸声装置换成声反射装置。
2、布拉格声光调制
由于发生布拉格声光衍射时，声光相互作用长度较大，属于体光栅情况。 理论分析表明，在声波场的作用下射光和衍射光之间存在如下关系
Ei ( r ) = Ei (0) cos(kij r ) ' ' E j ( r ) = −iEi (0) sin(kij r )
式中 Ei 和 Ej 分别为入射和衍射光场，这为我们描述两个光场的能量转换效 率提供了方便。定义：在作用距离 L 处衍射光强和入射光强之比为声光衍射 效率，即
式中， M 2
=
n6P 2 ρ vs3
M2
，是声光介质的物理参数组合，是由介质本身性质决定的量，称为声光
材料的品质因数(或声光优质指标)，它是选择声光介质的主要指标之一。从(17)式可见： (a)若在超声功率 Ps 一定的情况下，欲使衍射光强尽量大，则要求选择 M2 大的材料，并且， 把换能器做成长面较窄（即 L 大 H 小）的形式；(b)如果超声功率足够大，使
式中Δф是传播距离 L 后位相改变量。引入有效弹光系数 pe 和有效应变 Se，
1 ∆nij = n3 peSe 2
其中有效应变 Se 同声波场强度 Is 的关系是
S
e
2Is = ρv s

1 2
式中 v 是声速， ρ 是介质密度。于是(13)式写成
s
1 2 1 2π n6 pe 2 π 2 2 2 3 = sin L L(MIs )2 η = sin λ ρvs λ
五、思考题
1、什么是弹光效应和声光效应；
2、简述布拉格声光调制实现的过程；
3、产生布拉格声光衍射的条件是什么，布拉 格声光衍射及拉曼-奈斯衍射的区别及联系。
2、观察交流信号调制特性
改变线性直流偏压，观察不同衍射光强下的调制波形
下失真波形
上失
在驱动源输入端加入外调制信号（如音频信号、文字和图像 等），则衍射光强将随次信号变化，从而达到控制激光传输 特性的目的，实现模拟光通信。
不失真音频信号
失真音频信号
1 i
s
π
2λ
L M 2 Ps H
达
到 π 时，＝100%(c)当 P 改变时， II 也随之改变，因而通过控制 Ps(即控制加在电声换能器上 2 的电功率)就可以达到控制衍射光强的目的，实现声光调制。
三、实验内容
1、观察声光调制的衍射现象
调节激光束的亮度，使在接收屏（即小孔光阑）上有清晰的光点 呈现； 打开声光调制电压至最大，此时以100MHz为中心频率的超声波开 始对声光晶体进行调制； 微调载物平台上声光调制器的转向，以改变声光调制器的光束入 射角，即可出现因声光调制而出现的衍射光斑； 仔细调节光束对声光调制器的角度，当+1级（或者－1级）衍射 光最强时，声光调制器运转在布拉格衍射条件下
四、注意事项
1、调节过程中必须避免激光直射人眼，以免 对眼睛造成危害。 2、调节四维调整架时要轻调，不可用力过大， 以免损坏调整架。 3、为防止强激光束长时间照射而导致光敏管 疲劳或损坏，调节使用后需要随即用塑盖将 光电接收孔盖好。 4、 声光晶体易碎要轻拿轻放，若两端面上落 灰尘不可用力擦除。若长期不用，晶体要放在 干燥器皿内保存。 5、光电探测器是半导体器件应避免强光照射以 免烧坏。做实验时光强应由弱到强缓慢改变， 当出现饱和时可降低光强。
小孔光 阑
声光晶体
光电探 测器
导轨
半导体 激光器
声光晶体调制、接受电源
三、实验原理
（一）声光调制的物理基础
1、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、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λ，这种光栅称为超声光栅。