实验25晶体声光效应实验当光波通过受到超声波扰动的介质时会发生衍射现象，这种现象被称为声光效应，它是光波与介质中声波相互作用的结果。

声光效应可以用于控制激光束的频率、方向和强度，利用声光效应制成的各种声光器件，如声光调制器、声光偏转器和可调谐滤光器等，在激光技术、光信息处理和集成光通信技术等方面有着重要的应用。

一、实验目的1.掌握声光效应的原理和实验规律；2.观察拉曼－奈斯衍射和布拉格衍射现象；3.利用声光效应测量声波在介质中的传播速度；4.测量声光器件的衍射效率和带宽；5.了解声光效应的通信技术中的应用。

二、实验仪器[LOSG-Ⅱ型晶体声光效应实验系统]LOSG-Ⅱ型晶体声光效应实验系统的组成如图1所示，主要包括光路部分和声光效应实验仪两部分。

光路部分包括半导体激光器，激光器电源，声光器件，精密旋转台，导轨，白屏等；实验仪包括超声波信号源，脉冲方波产生器，光电池、光功率计，脉冲信号解调器，频率计等。

实验时，需另配双踪示波器。

主要部件的技术指标：1．半导体激光器：波长635 nm，功率5 mw。

2.声光器件：工作波长633 nm，中心频率100MHz±0.5 MHz，衍射效率≥80%，脉冲重复频率≥1 MHz。

3．高频超声信号源：工作频率80.0—120.0 MHz，步进1.0 MHz可调。

输出功率≤700 mw可调；4．脉冲方波产生器：工作频率581～4460 Hz 分40挡可调。

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上和空间上的周期性变化，并且导致介质的折射率也发生相应的变化。

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。

根据超声波频率的高低或声光相互作用长度的长短，可以将光与弹性声波作用产生的衍射分为两种类型，即喇曼—奈斯型衍射和布拉格型衍射。

1．喇曼－奈斯衍射 当超声波频率较低、声光相互作用距离较小时，即022λλs l ≤，平面光波沿z 轴入射，就相当于通过一个相位光栅，将产生喇曼－奈斯衍射，如图2所示。

根据相关理论可以证明以下结论：（1）各级衍射角θ满足下列关系：sm λλθ0sin ⋅±= （1） 其中，λ0为入射激光波长，λs 为超声波波长，m=0，±1，±2，±3，…。

（2）各级衍射光强与入射光强之比为：)(2νm m J I I =入（2） 其中，)(νm J 为m 阶贝塞尔函数，L μλπν02=。

因为)()(22ννm m J J -=，所以零级极值两侧的光强是对称分布的。

（3）各级衍射光的频率由于产生了多普勒频移而各不相同，各级衍射光的频率为s m ωω±0。

2．布拉格衍射当超声波频率较高，声光相互作用距离较大，满足λλ22s l ≥，并且光束与声波波面间保持一定的角度入射时，将产生布拉格衍射。

这种衍射与晶体对X 光的布喇格衍射很类似，故称为布喇格衍射。

能产生这种衍射的光束入射角称为布喇格角。

此时有超声波存在的介质起体积光栅的作用。

布拉格衍射的特点是：（1）理想情况下，只出现零级和＋1级衍射或－1级衍射。

（2）若参数合适、超声功率足够大，入射光功率几乎可以全部转换到＋1级或－1级上。

（3）产生布拉格衍射的入射角θB 满足关系：ss B n λλλλθ22sin 0== （4） λ0为入射光的波长。

λ为光波在介质中的波长。

λs 为超声波在介质中的波长。

n 为声光介质的折射率。

由于布拉格角一般很小，所以，sinθB ≈θB =s n λλ2，衍射光相对于入射光的偏转角δ为 δ =ss s f v 002λλλθ= （4） νs 为超声波在介质中的传播速度，ƒs 为超声波信号的频率。

（4）1级衍射光强与入射光强之比为：)]2(21[sin 21nL I I ∆=λπλ （5） △n 为声致声光晶体介质折射率的变化量。

3．声光调制：无论是喇曼－奈斯衍射还是布拉格衍射，都可以通过改变超声波的强度而改变衍射光的强度。

所以可以把调制信号加在超声波功率放大级，以达到光强调制的目的。

4．声光偏转：无论是喇曼－奈斯衍射还是布拉格衍射，都可以通过改变超声波的频率而改变衍射光的偏转方向。

若对超声频率固定的超声发生器实现“开关”功能，在“开”时由于产生衍射，+1级或-1级衍射光存在，在“关”时，衍射光不存在，就可实现“声光开关”功能。

一般“声光开关”运用的是布拉格衍射。

四、实验内容及步骤仪器面板功能介绍：a. 面板上面两个表头，左边为频率表头，显示调制信号频率和超声波频率。

右边表头为光功率显示表头。

b. 调制/超声波转换开关：置于调制位置时，按压+,-调节按钮，可改变调制信号的频率；置于超声波位置时，按压+,-调节按钮，可改变超声波信号的频率。

并由频率表头显示（调制/等幅转换开关置于调制位置）。

c. 调制/等幅转换开关：功能是选择超声波的输出方式。

当置于调制位置时，超声波输出受到控制，同时调制监测端有信号输出；低电平时没有超声波输出，高电平时有超声波输出。

频率表头显示的是调制信号或超声波的频率（此显示值跟调制/超声波转换开关的位置相关联）。

当置于等幅位置时，输出端输出的是连续的超声波信号。

同时频率表头显示CXXX，XXX为超声波的频率。

在此状态下，可按压+、-键改变超声波的频率；调制监测端：是调制信号的监测端，用于和示波器连接监测调制信号波形。

d. 功率调节旋钮：用于调节输出超声波信号的功率大小。

输出端：是超声波的信号输出端。

用于同声光晶体连接（只有在输出端和晶体可靠连接的状态下才可开启电源）。

e. 光电池端：用于同光电池探头连接。

f. 光功率/解调转换开关：置于光功率位置时，光功率表头可显示光电探头接收到的光功率数值。

当转换开关置于解调位置时，音量旋钮可以控制内置扬声器声音大小；解调监测端用于同示波器连接，输出解调后的调制信号。

g.调零：在光电探头未接收光的状态下，通过调节此旋钮，可使光功率显示表头数值为零。

1．观察喇曼—奈斯衍射现象按照图1所示安置好有关部件：把激光器、精密旋转台、白屏等一字排列在轨道上，声光器件固定在精密旋转台上；将激光器电源连接到激光器；把声光效应实验仪的超声功率输出端用电缆连接到声光器件；“调制/等幅”开关放在等幅位置，“光功率/解调”开关置于光功率。

打开激光器电源，调整声光器件在光路中的位置和光的入射角度，使光束穿过声光器件，照射在白屏上。

打开声光效应实验仪的电源（注意在未连接声光调制器之前，不能开启电源）仔细调整声光器件在光路中的位置和光的入射角度，调整信号源输出功率旋钮，同时调节信号源输出频率，使光屏上显示的光点最多。

出现喇曼－奈斯型衍射，使之达到最佳状态。

分别改变信号发生器的功率和频率，观察衍射现象的变化，记录实验现象。

2. 测量超声波长λS 和声速υS在喇曼-奈斯衍射的状态下，如图4所示，测量光屏上0级和一级衍射光点之间的距离a ，声光器件与光屏之距离L ，计算一级衍射角θ，La =≈θθsin ，依据（1）式有：θλλsin 0=s θλ0=L a 0λ= （6） 其中，半导体激光器波长nm 6500＝λ，1=m ，代入上式即可求得λs 。

又因为：s s s f λν= （7）式中s f 为超声信号源的频率，可直接从频率显示表头读出。

这样就可求得声速νS 。

在布拉格衍射状态下如图5所示：图5.布拉格衍射角测量示意图测量白屏上0级和1级衍射光点之间的距离а，声光器件和白屏之间的距离L ，计算衍射光相对于入射光的偏转角δ，依据（4）式计算λs ,νs 。

3．测量声光器件的衍射效率在布拉格衍射条件下，一级衍射光的效率为：ληI I 1=（8）其中，1I 为±1级衍射光强，λI 为入射光强。

将光电池插入实验仪的“光电池”插座，将功率计调零；再把光电池置于声光器件前面，让光束对准光电池的入射孔，此时光功率计的读数即为入射光强λI 。

然后再将光电池置于白屏前面，光电池入射孔对准一级衍射光点。

由光功率计读出一级衍射光强1I 。

按（8）式计算衍射效率η。

4．测量声光器件的带宽和中心频率声光器件有一个衍射效率最大的工作频率,此频率称为声光器件的中心频率,对于其它频率的超声波,其衍射效率将降低，一般认为衍射效率(或衍射光的相对光强)下降3dB(即衍射效率降到最大值的21时)两频率的间隔为声光器件的带宽。

在转换开关‘调制/等幅’置于等幅位置的状态下，调节超声波的频率，用功率计测量各频点对应的一级衍射光强和入射光强。

由于一级衍射光点的位置随频率的改变而改变，所以在测试过程中必须相应调整光电池的位置，使其入射孔始终对准一级衍射光。

求得衍射效率与超声波频率的关系曲线，定出声光器件的带宽和中心频率。

5．观测利用声光效应的信息传输实验将实验仪的“调制/等幅”开关置于调制，“光功率/解调”开关置于解调，“调制监测”和“解调监测”分别连接双踪示波器的两输入端，开启实验仪的电源，这样加到声光器件上的信号变成经脉冲方波调制的超声波，经过声光相互作用，传输到接收端。

调节“调制频率”并控制“音量”，可由双踪示波器上观测调制频率和解调频率及其变化，并且由仪器内置的扬声器收听变化的音调。

注意：信息传输是利用衍射光，所以必须使光电池的入射孔对准一级衍射光。

五、 注意事项1. 由于本实验采用的超声波信号源在80-120MHz 带宽内各频点的输出功率大小不等、加之声光器件的性能不够完善，在各频点的等效阻抗不同，以及阻抗不匹配等原因从而导致布拉格衍射不是理想的。

因此，在调节布拉格衍射时，使1级衍射光强最强即可。

当解调出的信号发生失真时，可适当的调节超声波的输出功率使其不失真即可。

2．高频超声信号源不得空载，即在开启实验仪电源前，应先将“输出”端与声光器件相连，否则，容易损坏超声信号源。

3．声光器件应小心轻放，不得冲击碰撞，否则将可能损坏内部晶体而报废，这种损坏属于人为损坏，不予保修或更换。

4．声光器件的通光面不得接触、擦拭、清洗，不做实验时，通光孔可用不干胶纸封住，否则易损坏光学增透膜，如有灰尘可用洗耳球吹去。

六、实验结果记录、数据分析处理七、 思考题1、为什么声光器件看做是一个相位型衍射光栅？2、声光衍射系统为什么有一个衍射效率最高的中心频率，中心频率由哪些因素决定？3、试述声光衍射器件的应用。

M2：声光媒质的品质因数；L: 声波波面宽度；h: 换能器高度；I a：声强；P s：声波功率对一定的声功率，为了尽可能地提高声波功率，要求选用M2大的材料，在结构上要求压电换能器的长宽比L/h 尽可能大。

当宗量为时，，一般可达60 %以上，所以声光器件以工作在Bragg 区为佳。

对于给定的声光器件，可通过改变Ps使η达到极大值，这就是器件的最佳调制声功率。