聲關(guān)衍射

1、1聲光衍射實(shí)驗(yàn)聲光衍射實(shí)驗(yàn)聲光效應(yīng)是指光通過(guò)某一受到超聲波擾動(dòng)的介質(zhì)時(shí)發(fā)生衍射的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象是光波與介質(zhì)中聲波相互作用的結(jié)果。早在本世紀(jì)30年代就開始了聲光衍射的實(shí)驗(yàn)研究。60年代激光器的問(wèn)世為聲光現(xiàn)象的研究提供了理想的光源，促進(jìn)了聲光效應(yīng)理論和應(yīng)用研究的迅速發(fā)展。聲光效應(yīng)為控制激光束的頻率、方向和強(qiáng)度提供了一個(gè)有效的手段。利用聲光效應(yīng)制成的聲光器件，如聲光調(diào)制器、聲光偏轉(zhuǎn)器和可調(diào)諧濾光器等，在激光技術(shù)、光信號(hào)處理和集成光通訊技術(shù)等方

2、面有著重要的應(yīng)用。1.1.實(shí)驗(yàn)要求實(shí)驗(yàn)要求1.1.實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)①了解聲光效應(yīng)的原理。②了解喇曼—納斯衍射和布喇格衍射的實(shí)驗(yàn)條件和特點(diǎn)。③通過(guò)對(duì)聲光器件衍射效率，中心頻率和帶寬等的測(cè)量，加深對(duì)其概念的理解。④測(cè)量聲光偏轉(zhuǎn)和聲光調(diào)制曲線。⑤模擬激光通訊實(shí)驗(yàn)。2.預(yù)習(xí)要點(diǎn)預(yù)習(xí)要點(diǎn)①什么是聲光效應(yīng)？②怎么區(qū)分喇曼納斯衍射和布拉格衍射？③聲光偏轉(zhuǎn)器和聲光調(diào)制器的基本原理是什么？④模擬激光通訊實(shí)驗(yàn)是如何傳播聲音信號(hào)的？2.2.實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)原理1

3、.聲光效應(yīng)當(dāng)超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，將引起介質(zhì)的彈性應(yīng)變作時(shí)間上和空間上的周期性的變化，并且導(dǎo)致介質(zhì)的折射率也發(fā)生相應(yīng)的變化。當(dāng)光束通過(guò)有超聲波的介質(zhì)后就會(huì)產(chǎn)生衍射現(xiàn)象，這就是聲光效應(yīng)。有超聲波傳播著的介質(zhì)如同一個(gè)相位光柵。聲光效有正常聲光效應(yīng)和反常聲光效應(yīng)之分。在各向同性介質(zhì)中，聲光相互作用不導(dǎo)致入射光偏振狀態(tài)的變化，產(chǎn)生正常聲光效應(yīng)。在各向異性介質(zhì)中，聲光相互作用可能導(dǎo)致入射光偏振狀態(tài)的變化，產(chǎn)生反常聲光效應(yīng)。反常聲光效應(yīng)是制造高性能

4、聲光偏轉(zhuǎn)器和可調(diào)濾光器的物理基礎(chǔ)。正常聲光效應(yīng)可用喇曼納斯的光柵假設(shè)作出解釋，而反常聲光效應(yīng)卻不能用光柵假設(shè)解釋。在非線性光學(xué)中，利用參量相互作用理論，可建立起聲光相互作用的統(tǒng)一理論，并且運(yùn)用動(dòng)量匹配和失配等概念對(duì)正常和反常聲光效應(yīng)都可作出解釋。本實(shí)驗(yàn)只涉及到各向同性介質(zhì)中的正常聲光效應(yīng)。設(shè)聲光介質(zhì)中的超聲行波是沿у方向傳播的平面縱波，其角頻率為ws，波長(zhǎng)為λs，波矢為ks。入射光為沿х方向傳播的平面波，其角頻率為w，在介質(zhì)中的波長(zhǎng)為λ

5、，波矢為k。介質(zhì)內(nèi)的彈性應(yīng)變也以行波形式隨聲波一起傳播。由于光速大約是聲波的105倍，在光波通過(guò)的時(shí)間內(nèi)介質(zhì)在空間上的周期變化可看成是固定的。由于應(yīng)變而引起的介質(zhì)折射率的變化由下式?jīng)Q定(1）21()PSn?式中，n為介質(zhì)折射率，S為應(yīng)變，P為光彈系數(shù)。通常，P和S為二階張量。當(dāng)聲波在各向同性介質(zhì)中傳播時(shí)，P和S可作為標(biāo)量處理，如前所述，應(yīng)變也以行波形式傳播，所以可寫成3（6）??????????2sin2sinsin00????nkmk

6、bBnkmkbtmimmssseJCbE??????????上式中與第m級(jí)衍射有關(guān)的項(xiàng)為（7）??tmimseEE????0（8）??????00sinsin2sin2ssbmknkmbmknkEmCbJ???????????因?yàn)楹瘮?shù)sinχχ在χ=0時(shí)取極大值，因此有衍射極大的方位角θm由下式?jīng)Q定：（9）ssnnkkmmm???00sin??式中，λ0為真空中光的波長(zhǎng)，λS為介質(zhì)中超聲波的波長(zhǎng)。與一般的光柵方程相比可知，超聲波引起的有

7、應(yīng)變的介質(zhì)相當(dāng)于一光柵常數(shù)為超聲波長(zhǎng)的光柵。由（7）式可知，第m級(jí)衍射光的頻率wm為wm=wmws(10)可見，衍射光仍然是單色光，但發(fā)生了頻移。由于wws這種頻移是很小的。第m級(jí)衍射極大的強(qiáng)度Im可用（7）式模數(shù)平方表示：)(22200??mmJbCEEI??(11))(20??mJI?式中，E0為E0的共軛復(fù)數(shù)，I0=C2b2。第m級(jí)衍射極大的衍射效率ηm定義為第m級(jí)衍射光的強(qiáng)度與入射光強(qiáng)度之比。由（11）式可知，ηm正比于J2m(