晶体声光调制实验报告
竭诚为您提供优质文档/双击可除晶体声光调制实验报告
篇一：实验十三晶体声光效应与声光调制实验
实验十三晶体声光效应与声光调制实验
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.观察喇曼-奈斯（Ranman—nath）衍射的实验条件和特点；
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.了解声光效应在新技术中的应用；
二、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
?2
l?s20
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：
sin??m??0（1）
s
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：
Im2?Jm(?)（2）I入
其中，Jm(?)为m阶贝塞尔函数，??
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2??022(?)?J??)，所以零级极值两侧的?L。因为Jmm(?0?m?s。
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
l?2?2
s
?
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
对故称为布喇格x光的布喇格衍射很类似，
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：
sin?b??0（3）2?s
（4）1级衍射光强与入射光强之比为：
I112??sin2[(?nL)]（4）I?2?
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。
三、实验仪器
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he-ne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(:晶体声光调制实验报告)源，脉冲方波产生器，光电池、光功率计，脉冲信号解调器等。实验时，需另配频率计和双踪示波器。
主要部件的技术指标：
1．he-ne激光器：波长632.8nm，功率2mw。
2.声光器件：工作波长633nm，中心频率100mhz±0.5mhz，衍射效率≥40%，脉冲重复频率≥1mhz。
3．高频超声信号源：
工作频率80—120mhz，输出功率约为700mw；
调制脉冲频率≤10Khz，TTL接口；
4．脉冲方波产生器：工作频率0.5～2Khz，TTL接口。
四、实验内容及步骤
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用电缆连接到声光器件；“等幅/调幅”开关放在等幅位置，“光功率/解制”开关置于光功率（参看实验仪的面板图）。
打开he－ne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至最大（直流电流表指示最大）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
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?，??sin??a，依据（1）式有：L
s?0?0?0L（5）asin??
0其中，he－ne激光器波长λ
式即可求得λs。又因为：=632.8nm，m=1，代入上
vs??sfs（6）
式中fs为超声信号源的频率，可用频率计测量，这样就可求得声速vs。
具体测量如下：
在80—120mhz之间，每隔约5mhz测一次，记录-1和+1级之间的间隔，即2a。以fs为横坐标、2a为纵坐标作图。对实验点坐线性拟合，求其斜率，由此计算调制晶体中的声速vs。
3．测量声光器件的衍射效率
在喇曼－奈斯衍射条件下，一级衍射光的效率为：
??I1（7）I?
其中，I1为±1级衍射光强，Iλ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Iλ。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I1。按
（7）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1时)两频率的间隔为声光器
件的带宽。做这项实验时，将频率计的输入与实验仪的“测频”插座连接，测量超声信号源的频率。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“等幅/调幅”开关置于调幅，“功率计/解
调”开关置于解调，“调制频率监测”和“解调监测”分别连接双踪示波器的x输入和Y输入。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，传输到接受端。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．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。
2．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。
3．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。
篇二：声光调制实验
声光调制实验
教学目的1、掌握声光调制的基本原理；
2、了解声光器件的工作原理；观察布拉格声光衍射现
象；
3、了解布拉格声光衍射和拉曼—奈斯声光衍射的区别。
重难点难点：理解和掌握晶体声光调制的原理和实验方法；
重点：了解布拉格声光衍射并观察布拉格声光衍射现象教学方法理论联系实际；实验观察与比较；精讲与指导讨论相结合学时3个学时
一、前言
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、实验仪器
图6系统装置图
1.调平底脚
2.导轨
3.滑座
4.四维调整架
5.半导体激光器
6.声光晶体盒
7.旋转平台8.小孔光阑9.横向滑座10.光电探测器
本实验系统是由半导体激光器、声光盒、小孔光阑、光电探测器以及声光调制电源箱组成。
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?s，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：
u1?u0cos??st?ksx?（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
su1?u0kssin??st?ksx??x（2）
对各向同性介质，折射率分布为
n?x,t??n??nsin??st?ksx?（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，变化的周期是声波周期，同时又以声速vs??s
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u1?2u0cos(ksx)sin(?st)（4）而介质折射率为：
?xksx)sin(?st)n,t??n?
?nsin(
（5）图2超声波形成的超声光栅
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 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2?s。
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、声光衍射任务
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）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?ks2L/kicos??2??L/?s2cos?i（3）
当L小且?s大(g>1)时，为布为布拉格衍射。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
为了便于应用，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。
V由于??sf，故L0不仅与介质的性质（Vs和n）有关，而且与工作条件（fs
s
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：
表1拉曼-奈斯衍射和布拉格衍射产生条件上的区别
拉曼-奈斯衍射布拉格衍射
声光作用长度较短声光作用长度较长
超声波的频率较低超声波的频率较高
光波垂直于声场传播的方向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“平面光栅”此时的声光晶体相当于一个“立体光栅”
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射角?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。
（二）声光调制原理
1、声光调制器的组成
声光调制其实由声光介质、电-声换能器、吸声（或反射）装置、耦合介质及驱动电源等所组成。如图3所示：（1）声光介质声光介质是声光互作用的场所。当一束
光通过变化的超声场时，由于光和超声场的作用，其出射光就具有随时间变化的各级衍射光，利用衍射光的强度随超声波强度的变化而变化的性质，就可以制成光强度调制器。
（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）
篇三：声光调制实验报告
声光调制实验
一.实验目的
1.理解声光作用和声光调制器的基本原理.
2.掌握及调制出布拉格衍射.
3.观察交流信号及音频信号调制特性.
二.实验仪器
可调半导体激光、声光晶体盒、声光调制电源及滑座和旋转平台.
三.实验原理
1.声光互作用
声光互作用效应是当超声波传到声光介质内，声光介质发生形变，导致介质的光学性能产生改变，即介质的折射率发生变化的现象。在超声波的作用下，声光介质的光学折射率发生空间周期性的变化，相当于介质内形成了一个折射率光栅，当激光通过介质是发生衍射。声光衍射使光波在通过介质后的光学特性发生改变，即光波的传播方向，强度，相位，频率发生了改变。
2.声光器件的基本原理
声光调制的工作原理：声光调制是利用声光效应将信息
加载于光频载波的一种物理过程。调制信号是以信号(调辐)形式作用于电-声换能器上，电-声换能器将相应的电信号转化为变化的超声场，当光波通声光介质时，由于声光作用，使光载波受到调制而成为“携带”信息的强度调制波。分拉曼—纳斯型声光调制器和布拉格声光调制器。拉曼—纳斯型声光调制器特点：工作声源频率低于10mhz只限于低频工作，带宽较小。布拉格声光调制器特点：衍射效率高，调制带宽较宽。其中调制带宽是声光调制器的一个重要参量，它是衡量能否无畸变地传输信息的一个重要指标，它受布拉格带宽的限制。对于给定入射角和波长的光波，只有一个确定的频率和波矢的声波才能满足布拉格条件。当采用有限的发散光束和声波场时，波束的有限角将会扩展，因此，在一个有限的声频范围内才能产生布拉格衍射。
3.拉曼—纳斯衍射和布拉格衍射
（1）布拉格衍射
当声波频率较高，声波作用长度较大，而且光束与声波波面间以一定的角斜入射时，光波在介质中要穿过多个声波面，故介质具有“体光栅”的性质。当入射光与声波面间夹角满足一定条件时，介质内各级衍射光会相互干涉，各高级次衍射光将互相抵消，只出现0级和+1级或（-1级）（视入射光的方向而定）衍射光，即产生布拉格衍射。因此，若能合理选择参数，并使超声场足够强，可使入射光能量几乎全
部转移到+1级（或-1级）衍射极值。因而光束能量可以得
到充分利用，所以，利用布拉格衍射效应制成的声光器件可以获得较高的效率。
（2）、拉曼—纳斯衍射
当超声频率较低，光波平行于声波面入射（即垂直于声场传播方向），声光互作用长度较短时，在光波通过介质的
时间内，折射率的变化可以忽略不计，则声光介质可近似看做为相对静止的“平面相位光栅”，产生拉曼—纳斯衍射。
由于声速比光速小得多，而且声波长比光波长大得多，当光波平行通过介质时，几乎不通过声波面，因此只受到相位调制，即通过光密（折射率大）部分的光波波阵面将推迟，而通过光疏（折射率小）部分的光波波阵面将超前，于是通过声光介质的平面波波阵面出现凹凸现象，变成一个折皱曲面。由出射波阵面上各子波源发出的次波将发生相干作用，形成与入射方向对称分布的多级衍射光，这就是拉曼—纳斯衍射。
四.实验内容及注意事项
1.观察声光调制的衍射现象
（1）调节激光束亮度，使在相屏中心有明晰的光点呈现，此即为声光调制的0级光斑；
（2）打开声光调制电压，此时以80mhz为中心频率的
超声波开始对声光晶体进行调制；
（3）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；
（4）仔细调节光束对声光调制器的角度，当+1级或-1
级衍射光最强时，声光调制器即运转在布拉格条件下的偏转状态。
注：控制电压为一定值；入射激光必须以特定的布拉格角度入射。
2.观察交流信号调制特性
打开信号发生器，输入交流的正弦波信号。加载器把直流偏压器和信号发生器的交流电压叠加在一起输出到线性
声光调制器上，在示波器可以看到被调制的激光的正弦波，测出示波器信号波的相对幅度。
3.声光调制与光通讯演示
在驱动源输入端加入外调制信号（如音频信号），则衍
射光强将随次信号变化，从而达到控制激光输出特性的目的。
4.计算声光调制偏转角
定义一级光和0级光间的距离为d，声光调制器到接受
孔之间的距离为L，由于L》d,即可求出声光调制的偏转角
=d/L。
注意事项;
1.调整光电探测器的高度，使得激光束落在光电探测器中心。
2.将声光调制器的通过孔置于载物平台的中心位置，调整好高度，使得激光束刚好通过小孔。
3.做实验时应注意光强从弱到强，避免刚开始激光过强。
4.注意布拉格衍射必须以一定的角度入射，注意调节偏转器及后来微调激光器。
五.思考题
1.声光器件在实际中有何广泛应用?
2.声光器件相比较其他同类型产品有什么优势?
近代物理实验七 声光效应
实验七 声光效应 声光效应是指光通过某一受到超声波扰动的介质时发生衍射的现象，这种现象是光波与介质中声波相互作用的结果。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现象的研究提供了理想的光源，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的应用。 SO2000声光效应实验仪采用了中心频率高达100MHz 的声光器件、100MHz 的功率信号源和分辨率达11μm 的CCD 光强分布测量仪，因此物理现象特别显著，仪器体积小巧，测量结果精确，适合各校实验室用于普通物理、近代物理和演示实验。 一、 硬件组成 一套完整的SO2000声光效应实验仪配有：已安装在转角平台上的100MHz 声光器件、半导体激光器、100MHz 功率信号源、LM601 CCD 光强分布测量仪及光具座。每个器件都带有ø10的立杆，可以安插在通用光具座上。在终端，如果用示波器进行实验，则构成了示波器型SO2000；如果用计算机进行实验，则构成了微机型SO2000（微机型SO2000还需配备USB100数据采集盒及工作软件）。 1． 声光器件(声速V = 3632m/s,介质折射率n = 2.386) 声光器件的结构示意图如图1所示。它由声光介质、压电换能器和吸声材料组成。 本实验采用的声光器件中的声光介质为钼酸铅，吸声材料的作用是吸收通过介质传播到端面的超声波以建立超声行波。将介质的端面磨成斜面或成牛角状，也可达到吸声的作用。压电换能器又称超声发生器，由妮酸锂晶体或其它压电材料制成。它的作用是将电功率换成声功率，并在声光介质中建立起超声场。压电换能器既是一个机械振动系统，又是一个与功率信号源相联系的电振动系统，或者说是功率信号源的负载。为了获得最佳的电声能量转换效率，换能器的阻抗与信号源内阻应当匹配。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，记为c f 。对于其它频率的超声波，其衍射效率将降低。规定衍射效率（或衍射光的相对光强）下降3db （即衍射效率降到最大值的1/2）时两频率间的间隔为声光器件的带宽。 声光器件安装在一个透明塑料盒内，置于转角平台上，见图2。盒上有一插座，用于和 声光器 转角平台 转角平台旋转手轮 图2：转角平台 吸声材料 声光介质 压电换能器 图1：声光器件的结构 声 波 前进方向 光波前进方
晶体声光调制实验报告
竭诚为您提供优质文档/双击可除晶体声光调制实验报告 篇一：实验十三晶体声光效应与声光调制实验 实验十三晶体声光效应与声光调制实验 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.观察喇曼-奈斯（Ranman—nath）衍射的实验条件和特点； 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.了解声光效应在新技术中的应用； 二、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 ?2 l?s20 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： sin??m??0（1） s 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：
固体激光倍频、调q实验
固体激光倍频、调q实验 声光调Q倍频YAG激光器实验 声光调制器由石英晶体、铌酸锂或重火石玻璃作为声光介质，通过压电晶体电声转换器将超声波耦合，在声光介质中产生超声波光栅，介质的折射率被周期性调制形成折射率体光栅。在腔内采用该技术，可将连续的1064nm基频光变换成 10KHz的高重复率脉冲激光，由于具有重复频率和峰值功率高的特点，可获得高平均功率的倍频绿光输出。 【实验目的】 (1)掌握声光调Q连续激光器及其倍频的工作原理; (2)学习声光调Q倍频激光器的调整方法; (3)了解声光调Q固体激光器的静态和动态特性，并掌握测试方法; (4)学习倍频激光器的调整方法。【实验原理】
【实验原理】 声光调Q倍频连续YAG激光器的工作原理 (1) 声光调Q基本原理: 图1 声光调制器工作原理 声光调制器是由石英晶体、铌酸锂、或重火石玻璃做为声光介质，通过电声换能器(压电晶体)将超声波耦合进去，在声光介质中产生超声波光栅。超声波光栅将介质的折射率进行周期性调制，从而进一步形成折射率体光栅。如图1所示。光栅公式如下式 (1) 式(1)中，是声光介质中的超声波波长，为布拉格衍射角，为入射光波波长，n为声光介质的折射率。当入射光以布拉格角入射时，出射光将被介质中的体光栅衍射到一级衍射最大方向上。利用声光介质的这种性质，可以对激光谐振腔内的光束方向进行调制。当加入声光调制信号时，光束偏转出腔外，不能在腔内形成振荡，即此时为高损耗腔。在此期间泵浦灯注入给激活介质(激光晶体)的能量储存在激光上能级，形成高反转粒子数。当去掉声光调制信号时，光束不被偏转，
在腔内往返，形成激光振荡。由于前面积累的高反转粒子数远远超过激光阈值，所以瞬时形成脉冲激光输出，从而形 成窄脉宽、高能量的激光脉冲。声光调Q激光器工作在几千周到几十千周的调制频率下，所以可以获得高重复率、高平均功率的激光输出。(2)倍频器件工作原理: 图2 倍频晶体折射率椭球及通光方向示意图由于晶体中存在色散现象，所以在倍频晶体中的通光方向上，基频光与倍频光所经历的折射率与是不同的。图3给出了一个单轴晶体的色散及1064nm倍频匹配点的折射率关系曲线。图3中的实线代表了寻常光的折射率，点划线代表了非常光的折射率，中间的点线则代表了非常光在改变入射光角度时得到的折射率。由图中可以看出，当改变晶体中入射光的角度，中间的非常光折射率曲线随之变化，在如图3的位置上，可以实现 1064nm 的
声光调制实验报告
声光调制实验 一.实验目的 1.理解声光作用和声光调制器的基本原理. 2.掌握及调制出布拉格衍射. 3.观察交流信号及音频信号调制特性. 二.实验仪器 可调半导体激光、声光晶体盒、声光调制电源及滑座和旋转平台. 三.实验原理 1.声光互作用 声光互作用效应是当超声波传到声光介质内，声光介质发生形变，导致介质的光学性能产生改变，即介质的折射率发生变化的现象。在超声波的作用下，声光介质的光学折射率发生空间周期性的变化，相当于介质内形成了一个折射率光栅，当激光通过介质是发生衍射。声光衍射使光波在通过介质后的光学特性发生改变，即光波的传播方向，强度，相位，频率发生了改变。 2.声光器件的基本原理 声光调制的工作原理：声光调制是利用声光效应将信息加载于光频载波的一种物理过程。调制信号是以信号( 调辐) 形式作用于电- 声换能器上，电- 声换能器将相应的电信号转化为变化的超声场，当光波通声光介质时，由于声光作用，使光载波受到调制而成为“携带”信息的强度调制波。分拉曼—纳斯型声光调制器和布拉格声光调制器。拉曼—纳斯型声光调制器特点：工作声源频率低于 10MHz只限于低频工作，带宽较小。布拉格声光调制器特点：衍射效率高，调制带宽较宽。其中调制带宽是声光调制器的一个重要参量，它是衡量能否无畸变地传输信息的一个重要指标，它受布拉格带宽的限制。对于给定入射角和波长的光波，只有一个确定的频率和波矢的声波才能满足布拉格条件。当采用有限的发散光束和声波场时，波束的有限角将会扩展，因此，在一个有限的声频范围内才能产生布拉格衍射。 3.拉曼—纳斯衍射和布拉格衍射 （1）布拉格衍射 当声波频率较高，声波作用长度较大，而且光束与声波波面间以一定的角斜入射时，光波在介质中要穿过多个声波面，故介质具有“体光栅”的性质。当入射光与声波面间夹角满足一定条件时，介质内各级衍射光会相互干涉，各高级次衍射光将互相抵消，只出现0 级和+1 级或（-1 级）（视入射光的方向而定）衍射光，即产生布拉格衍射。因此，若能合理选择参数，并使超声场足够强，可使入射光能量几乎全部转移到+1 级（或-1 级）衍射极值。因而光束能量可以得到充分利用，所以，利用布拉格衍射效应制成的声光器件可以获得较高的效率。
声光效应实验报告
声光效应实验报告 声光效应实验报告 引言： 声光效应是指声音和光线相互作用产生的现象。通过声音的振动引起光线的变化，或者通过光线的变化产生声音的效果。在本次实验中，我们将通过一系列实验，探索声光效应的原理和应用。 实验一：声音引起光线的变化 实验目的： 通过声音的振动引起光线的变化，观察声光效应。 实验步骤： 1. 将一块平面镜固定在震动膜上方。 2. 将音频信号传输到震动膜上。 3. 打开音频信号，产生声音振动。 4. 观察镜面上的光线变化。 实验结果： 当音频信号传输到震动膜上时，镜面上的光线开始发生变化。光线的方向和强度随着声音的振动而改变。声音的频率和振幅对光线的变化有明显影响。 实验二：光线引起声音的变化 实验目的： 通过光线的变化产生声音效果，观察声光效应。 实验步骤： 1. 在黑暗的环境中放置一台激光器。
2. 将光线照射到光敏电阻上。 3. 通过光敏电阻将光信号转化为电信号。 4. 将电信号传输到扬声器上。 5. 打开激光器，观察扬声器上的声音变化。 实验结果： 当激光器照射到光敏电阻上时，扬声器上开始发出声音。光线的强度和变化频 率会影响声音的音调和音量。不同的光线强度和频率会产生不同的声音效果。 实验三：声光效应的应用 实验目的： 探索声光效应在实际应用中的潜力。 实验步骤： 1. 将声音信号传输到激光器上。 2. 将激光器照射到一个反射面上。 3. 观察反射面上的光线变化。 4. 将光线变化转化为声音信号。 5. 通过扬声器播放声音。 实验结果： 通过将声音信号传输到激光器上，并将激光器照射到反射面上，我们可以观察 到反射面上的光线变化。通过将光线变化转化为声音信号，并通过扬声器播放，我们可以听到与光线变化相对应的声音效果。这种应用可以用于声音和光线的 交互娱乐，例如音乐会或演出中的特殊效果。 结论：
声光效应实验报告华科大近代物理实验
声光效应实验报告十一月19 2011 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 周期性的变化，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
声光效应实验报告 一、实验目的 1． 了解声光效应的原理. 2． 了解喇曼—纳斯衍射和布喇格衍射的实验条件和特点。 3． 通过对声光器件衍射效率，中心频率和带宽等的测量，加深对其 概念的理解。 4． 测量声光偏转和声光调制曲线。 二、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的变化，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.有超声波传播着的介质如同一个 相位光栅。 设声光介质中的超声行波是沿у方向传播的平面纵波,其角频率为w s ，波长为λs ， 波矢为k s 。入射光为沿х方向传播的平面波，其角频率为w ,在介质中的波长为λ， 波矢为k 。介质内的弹性应变也以行波形式随声波一起传播。由于光速大约是声波的10 5 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。 图 1 声光衍
当超声波在各向同性的介质中传播时，微小应变引起的折射率的变化为 30 1 2 n n PS ∆=- 设光束垂直入射通过厚度为L 的介质，则前后两点的相位差为 ()()00,sin s s k n y t L t k y ΦΦδΦω∆==∆+- 当光束斜入射时，如果声光作用的距离满足L ＜λS 2 ／2λ,则各级衍射极大的 方位角θm 由下式决定。 布喇格角满 足 称为布喇 格条件。因为布 喇格角一般都很小，故衍射光相对于入射光的偏转角φ为 式中，νS 为超声波波速，f S 为超声波频率 在布喇格衍射的情况下，一级衍射光的衍射效率为 三、 实验仪器 声光器件,功率信号源,CCD 光强分布测量仪，USB100计算机数据采集盒，模拟通信收发器,光电池盒，半导体激光器,光具座，示波器和频率计等 四、 实验步骤 1. 观察喇曼-纳斯衍射和布喇格衍射，比较两种衍射的实验条件和特点 02B s s s i f nv λ λ λΦ=≈=
实验三 晶体的声光调制实验
实验三晶体的声光调制实验 一、实验目的 (1) 了解声光效应的原理。 (2) 了解喇曼一纳斯衍射和布喇格衍射的实验条件和特点。 (3) 测量声光偏转和声光调制曲线。 (4) 完成声光通信实验光路的安装及调试。 二、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伺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。 声光效应有正常声光效应和反常声光效应之分。在各向同性介质中，声一光相互作用不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，声一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。反常声光效应是制造高性能声光偏转器和可调滤波器的基础。正常声光效应可用喇曼一纳斯的光栅假设作出解释，而反常声光效应不能用光栅假设作出说明。在非线性光学中，利用参量相互作用理论，可建立起声一光相互作用的统一理论,并且运用动量匹配和失配等概念对正常和反常声光效应都可作出解释。本实验只涉及到各向同性介质中的正常声光效应。 设声光介质中的超声行波是沿少方向传播的平面纵波，有超声波存在的介质起一平面相位光栅的作用。 当声光作用的距离满足L>2λs/λ，而且光束相对于超声波波面以某一角度入射时，在理想情况下除了0级之外，只出现1级或一1级衍射。这种衍射与晶体对尤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。 通过改变超声波的频率和功率，可分别实现对激光束方向的控制和强度的调制，这是声光偏转器和声光调制器的基础。从(10)式可知，超声光栅衍射会产生频移，因此利用声光效应还可以制成频移器件。超声频移器在计量方面有重要应用，如用于激光多普勒测速仪。 以上讨论的是超声行波对光波的衍射。实际上，超声驻波对光波的衍射也产生喇曼一纳斯衍射和布喇格衍射，而且各衍射光的方位角和超声频率的关系与超声行波的相同。不过，各级衍射光不再是简单地产生频移的单色光，而是含有多个傅立叶分量的复合光。 三、实验仪器 高速正弦声光调制器及驱动电源，可用在激光照排机、激光传真机、电子分色机或者其他文字、图像处理等系统中。 四、实验内容 1、观察声光调制的衍射现象 正确连接声光调制器各个部分，开机预热5分钟；
AOM调节实验报告
AOM 调节实验 一．实验目的 使激光通过声光调制器Aom 后一级衍射光的功率达≥80%。 二．实验原理 1.Aom 原理 2.光路图如下： 三．实验仪器 激光器（波长1068nm ）、放大器、电源、信号源、两个45ｏ 反射镜、Aom 、挡光板、光功率记、pbs 、半波片、红外探片、尺子。 四．实验步骤 1. 搭光路 按照等高同轴的原则，调节光束平行于工作台且平行于螺丝线，先调激光光束高度一般为 7.5厘米，把探片放在尺子7厘米处（因为0刻度线到尺子边缘的距离为0.5厘米）检验光束使光束近处远处高度均为7.5厘米；然后用探片调节光束使光束平行螺丝线。分别调波片、pbs 、45ｏ反射镜等中心离工作台的距离为7.5厘米。按照光路图搭光路 2. Aom 的调节 1.先将放大器输出端接到Aom 上，然后放大器接电源（先接黑线再接红线，拔的时候相反），再把信号源接到放大器输入端。 2.用光功率计测量入射Aom 之前的两个45ｏ 反射镜反射的光束光功率并记下0P 3.然后取下光功率计探头关闭信号源（先不加驱动），摆放Aom ，首先将两个45ｏ反射镜反射的光束打进Aom 通光空内，用探片观察通过Aom 的光斑，应是和入射Aom 的光斑基本一致的一个光斑，此时出射的是0级光（没有驱动Aom ，此时，Aom 相当于平面透镜）。 4.然后打开信号源驱动Aom ，稍微左右挪到Aom ，此时用探片在Aom 后面观察会出现多级衍射光，使衍射正一级光（或者负一级光）最亮，（关闭信号源衍射光斑会消失，只有0级光斑），然后固定Aom ，接着用光挡，挡住0级光，使正一级光（或者负一级光）入射进光功 率计探头上，然后调节两个45ｏ反射镜，观察光功率计的示数的变化，使之最大，记下光功 率1P 5. 计算衍射效率10ηP =P 五．实验总结 1.搭光路按照等高同轴的原则 2.影响Aom 的衍射效率有 ○ 1.光路是否等高同轴，平行光束是否恰好通过透镜中心
声光效应实验实验报告
声 光 效 应 的 研 究 班级：应物21班 姓名：许达 学号：2120903018
光通过某一受到超声波扰动的介质时，会发生衍射现象，这种现象称为声光效应。利用声光效应可以制成的声光器件，如声光调制器、声光偏转器和谐调滤光器等。声光效应还可用于控制激光束的频率、方向和强度等方面。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。 一、实验目的 1．了解声光效应的原理； 2．测量声光器件的衍射效率和带宽及对光偏转的研究； 3．利用声光效应测量声波在介质中的传播速度。 二、实验仪器 He-Ne激光电源，声光器件，CCD光强分布测量仪，高频功率信号源，示波器，频率 计。 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，这种应变在时间上和空间上是周期性的变化，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。 光被弹性声波衍射有二种类型，当超声波频率较高时，产生布拉格（Bragg ）型衍射；当超声波频率较低时，产生喇曼―奈斯（Raman-Nath ）型衍射。 Bragg 衍射相当于体光栅情况，而Raman-Nath 衍射相当于薄光栅情况。两种光栅情况如图1所示。由于光波速度远大于声波速度约105倍，所以在光波通过介质的时间内，介质在空间上的周期变化可看成是固定的。对于Bragg 衍射，当声光的距离满足λλ22s L >，而且入射光束相对于超声波波面以θ角斜入射时，入射光满足Bragg 条件 )1(sin 2n s λ θλ= 式中λ为光波的波长，s λ为声波的波长，固体介质的折射率为n 。Bragg 衍射只存在1级的衍射光。当声波为声行波时，只有+1级或-1级衍射光,如图2所示。当声波为声驻波时，±1级衍射光同时存在，而且衍射效率极高。只要超声功率足够高，Bragg 衍射效率可达到100%。所以实用的声光器件一般都采用Bragg 衍射。而对于Raman-Nath 衍射，满足条件 )2(sin s m λλ θ±= 时出现衍射极大。式中m 为衍射级数。 Raman-Nath 衍射效率低于Bragg 衍射效率。其中1级衍射光的衍射效率01I I 最大不超过35%，但这种衍射没有Bragg 条件的限制，
#晶体声光效应实验-使用说明书
WGX-21晶体声光效应实验仪 使用说明书 天津市拓普仪器有限公司 目录 【概述】 (1) 一、实验目的 (1) 二、实验原理 (1) 三、实验装置及安装使用 (7) （一）、实验装置 (7) （二）、仪器技术参数 (12) （三）、安装和使用 (12) 四、实验内容和步骤 (15) 五、思考和讨论 (18) 声光效应实验 声光效应是指光通过某一受到超声波扰动的介质时发生衍射的现象，这种现象是光波和介质中声波相互作用的结果。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现象的研究提供了理想的光源，促进了声光效应理论和使用研究的迅速发展。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的使用。 本实验采用WGX-21型声光效应实验仪，采用了中心频率高达100MHz 的声光器件、100MHz 的功率信号源和分辨率达11μm 的CCD 光强分布测量
() PS n 21∆仪等。 一.实验目的 1. 了解声光效应的原理。 2. .了解喇曼—纳斯衍射和布喇格衍射的实验条件和特点。 3. 通过对声光器件衍射效率，中心频率和带宽等的测量，加深对其概念的 理解。 4. ..测量声光偏转和声光调制曲线。 5. ..模拟激光通讯实验。 二、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 期性的变化，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。有超声波传播着的介质如同一 个相位光栅。 声光效应有正常声光效应和反常声光效应之分。在各向同性介质中，声光相 互作用不导致入射光偏振状态的变化，产生正常声光效应。在各向异性介质中， 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。反常声光 效应是制造高性能声光偏转器和可调滤光器的物理基础。正常声光效应可用 喇曼-纳斯的光栅假设作出解释，而反常声光效应不能用光栅假设作出说明。在 非线性光学中，利用参量相互作用理论，可建立起声光相互作用的统一理论， 并且运用动量匹配和失配等概念对正常和反常声光效应都可作出解释。本实验 只涉及到各向同性介质中的正常声光效应。 设声光介质中的超声行波是沿у方向传播的平面纵波，其角频率为w S ，波 长为λS ，波矢为k S 。入射光为沿х方向传播的平面波，其角频率为w ，在介 质中的波长为λ，波矢为k （如图1）。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 105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。由于应变而引起的介质折射率的变化 由下式决 定： （1） 式中，n 为介质折射率，S 为应变，P 为光弹系数。通常，P 和S 为二阶张
声光调Q倍频YAG激光器实验_百度文库
实验十二声光调Q倍频YAG激光器实验 一、实验目的 (1掌握声光调Q连续激光器及其倍频的工作原理; (2学习声光调Q倍频激光器的调整方法; (3了解声光调Q固体激光器的静态和动态特性,并掌握测试方法; (4学习倍频激光器的调整方法。 二、实验原理 声光调Q倍频连续YAG激光器的工作原理 (1声光调Q基本原理: 图12-1 声光调制器工作原理
声光调制器是由石英晶体、铌酸锂、或重火石玻璃做为声光介质,通过电声换能器(压电晶体将超声波耦合进去,在声光介质中产生超声波光栅。超声波光栅将介质的折射率进行周期性调制,从而进一步形成折射率体光栅。如图12-1所示。光栅公式如下式 2sin S B n λ λθ= (1 式(1中,s λ为声光介质中的超声波波长,B θ为布拉格衍射角,λ为入射光波波长,n 为声光介质的折射率。当入射光以布拉格角入射时,出射光将被介质中的体光栅衍射到一级衍射最大方向上。利用声光介质的这种性质,可以对激光谐振腔内的光束方向进行调制。当加入声光调制信号时,光束偏转出腔外,不能在腔内形成振荡,即此时为高损耗腔。在此期间泵浦灯注入给激活介质(激光晶体的能量储存在激光上能级,形成高反转粒子数。当去掉声光调制信号时,光束不被偏转,在腔内往返,形成激光振荡。由于前面积累的高反转粒子数远远超过激光阈值,所以瞬时形成脉冲激光输出,从而形成窄脉宽、高能量的激光脉冲。声光调Q 激光器工作在几千周到几十千周的调制频率下,所以可以获得高重复率、高平均功率的激光输出。 (2倍频器件工作原理:
图12-2 倍频晶体折射率椭球及通光方向示意图 由于晶体中存在色散现象,所以在倍频晶体中的通光方向上,基频光与倍频光所经历的折射率n ω与2n ω是不同的。图12-3给出了一个单轴晶体的色散及 1064nm 倍频匹配点的折射率关系曲线。 R e f r a g t i v e I n d e x
声光效应实验
声光效应实验 一、 实验目的 1．理解声光效应的原理，了解Ramam －Nath 衍射和Bragg 衍射的分别。 2．测量声光器件的衍射效率和带宽等参数，加深对概念的理解。 3．测量声光偏转的声光调制曲线。 4．模拟激光通讯。 二、 实验原理 (一) 声光效应的物理本质——光弹效应 介质的光学性质通常用折射率椭球方程描述 1ij j j x y η= Pockels 效应：介质中存在声场，介质内部就受到应力，发生声应变，从而引起介质光学性质发生变化，这种变化反映在介质光折射率的或者折射率椭球方程系数的变化上。在一级近似下，有 ij ijkl kl P S η∆= 各向同性介质中声纵波的情况，折射率n 和光弹系数P 都可以看作常量，得 2 1 ( )PS n η∆=∆= 其中应变 0sin()S S kx t =-Ω 表示在x 方向传播的声应变波，S 0是应变的幅值，/s k v =Ω是介质中的声波数，2f πΩ=为角频率，v s 为介质中声速，/s v f Λ=为声波长。P 表示单位应变所应起的2 (1/)n 的变化， 为光弹系数。又得 3 01sin()sin()2 n n PS kx t kx t μ∆= -Ω=-Ω ()sin()n x n n n kx t μ=+∆=+-Ω 其中3 012 n PS μ= 是“声致折射率变化〞的幅值。考虑如图1的情况，压电换能器将驱动信号U(t)转换成声信号，入射平面波与声波在介质中〔共面〕相遇，当光通过线度为l 的声光
互作用介质时，其相位改变为：
000()()sin()x n x k l k l kx t φφμ∆==∆+-Ω 其中002/k πλ=为真空中光波数，0 λ是真空中的光波长，00nk l ∆Φ=为光通过不存在超声波的介质后的位相滞后，项 ()0sin k l kx t μ-Ω为由于介质中存在超声 波而引起的光的附加位相延迟。它在x 方向周期性的变化，犹如光栅一般，故称为位相光栅。这就是得播送阵面由原先的平面变为周期性的位相绉折，这就改变了光的传播方向，也就产生了所谓的衍射。与此同时，光强分布在时间和空间上又做重新分配，也就是衍射光强受到了声调制。 (二) 声光光偏转和光平移 从量子力学的观点考虑光偏转和光频移 问题十分方便。把入射单色平面光波近似看作光子和声子。声光相互作用可以归结为光子和声子的弹性碰撞，这种碰撞应当遵守动量守恒和能量守恒定律，前者导致光偏转，后者导致光频移。这种碰撞存在着两种可能的情况——即声子的吸收过程和声子的受激发射过程，在声子吸收的情况下，每产生一个衍射光子，需要吸收一个声子。在声子受激发射的情况下，一个入射声子激发一个散射光子和另一个与之具有一样动量和能量的声子的发射。 d i k k k ±=± d i ωω±=±Ω 声光效应可划分为正常声光效应和反常声光效应两种。 1、入射光和衍射光处于一样的偏振状态，相应的折射率一样，成为正常声光效应。
超声光栅实验报告
超声光栅实验报告 一、实验背景介绍 超声光栅是由光学叠加和声学叠加两个物理效应综合而成的一种光学装置。其基本原 理是在光路中设置超声波振动源和光栅，利用超声波的自然调制能力从而实现了光场的调制。在超声光栅中，麦克风将声信号通过调制速度变化并传递至声光晶体上，从而形成了 光学调制。超声光栅的主要应用包括回波测距、声光调制、光学滤波等。 本实验主要是探究超声光栅的基本原理和应用，结合实验过程和结果，对超声光栅撰 写一份实验报告。 超声光栅具有声光调制的基本原理，即在光学信号的传输过程中通过外加声波的调制，从而实现光场的调制。超声光栅主要由声光晶体、激光器、检光器、超声波振动源和信号 处理部分组成。 1.声光晶体 声光晶体是指通过特定的光折射介质，使光波与机械振动的耦合相互作用，并且产生 相应的全息衍射现象。声光晶体不仅可以将光学信息转化为声学信息，还可以将声学信息 转化为光学信息。 2.超声波振动源 超声波振动源主要是利用压电板能够在电力作用下产生振动的特性，通过外加电压来 实现振动的控制。一般采用的超声波源为50kHz左右的振动频率，通过改变频率和振幅来 改变其调制光学信号的能力。 3.信号处理部分 信号处理部分主要是利用检光器进行光信号的检测与处理，并且可以将检测到的反馈 信号通过数字化等处理，从而对声光晶体的特性进行更加准确的控制和调节。 三、实验器材与步骤 1.实验器材 （1）激光器 （4）振荡器 （6）频率计
（7）可变电压源 （8）数字存储示波器 2.实验步骤 （1）将激光器和声光晶体结合起来，并且在光路中设置超声波振动源。 （2）调整超声波源的频率，使其与声光晶体产生谐振现象，并且获得最佳光学调制效果。 （3）串联检光器，利用数字示波器来检测光学信号的强度变化，并且通过改变声光晶体的特性对其进行控制。 （4）采用可变电压源对声光晶体进行调制，从而获得不同调制频率和幅度的超声光栅。 四、实验结果与分析 在本次实验中，我们采用了调制频率为50kHz和声光晶体宽度为0.75cm的超声光栅，通过数字示波器得到了如下的调制图像。 图1 超声光栅的光学调制图像 从图中可以看到，随着声光晶体的调制，光学信号的强度也出现了明显的变化，并且出现了多个光学峰位。这些峰位是超声光栅的光阻抗的表现，即由于声光晶体造成了光场的扩散现象，从而形成了光学峰位。 此外，在实验的过程中我们还对超声光栅的频率和幅度进行了调制，通过数字存储示波器得到了不同频率和幅度下的光学调制结果并进行了对比。实验发现，在调制频率为50kHz的情况下，随着声光晶体的幅度的增加，光学信号的光阻抗也逐渐变大。这种频率和幅度之间的关系是超声光栅调制的基本特性，可以用于实现多种不同的光学调制效果。 五、实验总结 通过本次实验，我们探究了超声光栅的基本原理和调制原理，并且通过数字存储示波器得到了不同频率和幅度下超声光栅的调制效果。通过实验还发现，超声光栅可以实现多种不同的光学调制效果，并且在实际应用中有着广泛的应用前景。因此，这次实验不仅可以让我们了解到新颖的声光调制技术，还对今后的科研和应用工作有着重要的指导作用。
晶体的声光效应实验(设计与研究性实验)
晶体的声光效应实验(设计与研究性实验) 物理与信息工程系实验（预习）报告 实验课程：物理设计与研究性实验 实验项目：晶体的声光效应实验 级第姓名实验日期：年月日气温气压 、实验目的： 1．了解声光效应的原理。 2．了解布喇格衍射的实验条件和特点。 3．测量声光声光器件衍射效率。 、实验仪器 F-SG1080型声光效应实验仪 、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。超声波传播时，如前进波被 一个平面反射，会反向传播。在一定条件下前进波与反射波可以形成驻波。由于驻波小振 幅可以达到单一行波的两倍，加剧了波源和和反射面之间的的疏密程度，某时刻，驻波的 任一波节两边的质点都涌向这一点，使该节点附近形成密集区，而相邻波节处为质点稀疏处；半个周期后，这个节点附近的质点向两边散开形成稀疏区，而相邻波节处变为密集区。 图1 声光衍射 设声光介质中的超声行波是沿y 方向传播的平面纵波，其角频率为w s ，波长为λs 波矢为k s 。入射光为沿x 方向传播的平面波，其角频率为w ，在介质中的波长为λ， 波矢为k 。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105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。 由于应变而引起的介质的折射率的变化由下式决定 ∆( 1 ) PS （1） 2n
式中，n 为介质折射率，S 为应变，P 为光弹系数。通常，P 和S 为二阶张量。当声波在各项同性介质中传播时，P 和S 可作为标量处理，如前所述，应变也以行波形式传播，所以可写成 S =S 0sin(w s t -k s y ) （2） 当应变较小时，折射率作为y 和t 的函数可写作 n (y , t ) =n 0+∆n sin(w s t -k s y ) （3） 式中，n 0为无超声波时的介质的折射率，∆n 为声波折射率变化的幅值，由（1）式 可求出 1 ∆n =-n 3PS 0 2 设光束垂直入射（k ⊥k s ）并通过厚度为L 的介质，则前后两点的相位差为（4） =k 0n 0L +k 0∆nL sin(w s t -k s y ) =∆Φ0+δΦsin(w s t -k s y ) 式中，k 0为入射光在真空中的波矢的大小，右边第一项∆Φ0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），δΦ=k 0∆nL 。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。 L 设入射面上x =-的光振动为E i =Ae it ，A 为一常数，也可以是复数。考虑 2L 到在出射面x =上各点相位的改变和调制，在xy 平面内离出射面很远一点的衍 2 射光叠加结果为 ∆Φ=k 0n (y , t ) L E ∝A ⎰ 写成等式时，
9、晶体的声光调制 河南理工
晶体的声光调制 一、实验目的 1. 掌握晶体电光调制的原理和实验方法 2. 观察晶体声光效应引起的晶体布拉格衍射现象 3. 通过示波器比较声光调制实现对光信号的调制 二、实验仪器 晶体声光调制器, 声光调制电源，半导体激光器, 小孔光阑,光电转换器，双踪示波器 三、实验原理 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、军事等方面的要求。 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，分子间因互相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态。如上所述，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密度变化。这部分受扰动的介质等效为一个“相 ，这种光栅称为超声光栅。声波在介质中位光栅”。其光栅常数就是声波波长 s 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
光信息专业实验报告：光调制与光信模拟实验
光信息专业实验报告：光调制与光信模拟实验 一、实验目的 1. 学习电光调制、声光调制、磁光调制的机制及运用。 2. 了解光通信系统的结构。 二、光调制基本原理 常用的光调制方式主要有电光调制、声光调制和磁光调制，分别是利用电光效应、声光效应和磁光效应来实现对光的调制的。 1. 电光调制器件工作原理 光学介质的电光效应是指，当介质受到外电场作用时，其折射率将随外电场变化，介电系数和折射率都与方向有关，介质的光学特性由原来的各向同性变为各向异性。 目前已发现两种电光效应，一种是泡克耳斯（Pockels）效应，即折射率的变化量与外电场强度的一次方成比例；另一种是克尔（Kerr）效应，即折射率的变化量与外电场强度的二次方成比例。利用泡克耳斯效应制成的调制器成为泡克耳斯盒，其中的光学介质为非中心对称的压电晶体。利用克尔效应制成的调制器称为克尔盒，其中的光学介质为具有电光效应的液体有机化合物。泡克耳斯盒有纵向调制器和横向调制器两种。 我们实验中使用的是电光晶体为DKDP（磷酸二氘钾）的纵向调制泡克耳斯盒。不给泡克尔斯盒加电压时，盒中的介质是透明的，各向同性的非偏振光经过起偏器P后变为振动方向平行于P光轴的平面偏振光。通过泡克耳斯盒时，其偏振方向不变，到达检偏器Q时，因光的振动方向垂直于Q光轴而被阻挡，所以Q 没有光输出；给泡克耳斯盒加电压时，由于电光效应，盒中介质将具有单轴晶体的光学特性，光轴与电场方向平行。此时，通过泡克耳斯盒的平面偏振光的振动方向将被改变，从而产生了与Q光轴方向平行的分量，即Q有光输出。Q输出光的强弱与盒中介质的性质、几何尺寸、外加电压大小有关。对于结构已确定的泡耳克斯盒来说，若外加电压是周期性变化的，则Q的光输出也是周期性变化的，由此实现对光的调制。
声光调制实验
成绩 信息与通信工程学院实验报告 （操作性实验） 课程名称：物理光学 实验题目：声光调制实验 一、实验目的和任务 1、 观察声光调制的偏转现象 2、 测试声光调制的幅度特性 3 、显示声光调制偏转曲线 4、 观察声光调制随频率偏转现象 5、 测试声光调制频率偏转特性 6、 测量声光调制器的衍射效率 7、 测量超声波的波速 &声光调制与光通讯实验演示 、实验仪器及器件 声光调制实验仪 班级: 学号: 学生: 指导教师:
图1声光调制实验仪装置 三、实验容及原理 声光调制原理： 当声波在某些介质中传播时，会随时间与空间的周期性的弹性应变，造成介质密度（或 光折射率）的周期变化。介质随超声应变与折射率变化的这一特性，可使光在介质中传播时发生衍射，从而产生声光效应：存在于超声波中的此类介质可视为一种由声波形成的位相光栅（称为声光栅），其光栅的栅距（光栅常数）即为声波波长。当一束平行光束通过声光介质时，光波就会被该声光栅所衍射而改变光的传播方向，并使光强在空间作重新分布。 声光器件由声光介质和换能器两部分组成。前者常用的有钼酸铅（PM、氧化碲等，后 者为由射频压电换能器组成的超声波发生器。如图1所示为声光调制原理图。 声波吸收器 理论分析指出，当入射角（入射光与超声波面间的夹角）i满足以下条件时，衍射光最强。
由此可见，当声波频率F 改变时，衍射光的方向亦将随之线性地改变。 同时由此也可求得超声波在介质中的传播速度为: (4) 四、实验步骤 1、观察声光调制的偏转现象 （1）调节激光束的亮度，使在像屏中心有明晰的光点呈现，此即为声光调制的 0 级光斑。 sin i N 乙拳N 2k 临 (1) 式中N 为衍射光的级数, 、k 分别为入射光的波长和波数k —， s 与K 分别为超声 2 波的波长和波数K - 声光衍射主要分为布拉格（ Bragg ）衍射和喇曼-奈斯（Raman-Nath 衍射两种类型。前 者通常声频较高，声光作用程较长；后者则反之。由于布拉格衍射效率较高，故一般声光器 件主要工作在仅出现一级光（N=1）的布拉格区。 满足布拉格衍射的条件是: Sin — 2 s (2) （式中F 与s 分别为超声波的频率与速度， 为光波的波长） 当满足入射角i 较小，且i B 的布拉格衍射条件下，由（1 ）式可知，此时B K 2k ， 并有最强的正一级（或负一级）的衍射光呈现。 入射（掠射）角i 与衍射角B 之和称为偏转角d （参见图1），由（2）式: d i B 2 B ik - F v s (3) V s
光学实验二—_电光、声光和磁光调制实验指导书
电光调制实验 一 实验原理 电光调制实验仪作为高等院校新一代的物理实验仪器，在基础物理实验和相关专业的实验中用以研究电场和光场相互作用的物理过程，也适用于光通讯与光信息处理的实验研究。电光调制器的调制信号频率可达 Hz 量级，因而在激光通讯、激光显示等领域中有广泛的应用。 （一）电光调制原理 某些晶体在外加电场的作用下，其折射率随外加电场的改变而发生变化的现象称为电光效应，利用这一效应可以对透过介质的光束进行幅度,相位或频率的调制，构成电光调制器。电光效应分为两种类型： （1）一级电光（泡克尔斯—Pockels ）效应，介质折射率变化正比于电场强度。 （2）二级电光（克尔—Kerr ）效应，介质折射率变化与电场强度的平方成正比。 本实验仪使用铌酸锂（LiNbO 3）晶体作电光介质，组成横向调制（外加电场与光传播方向垂直）的一级电光效应。 图1 横向电光效应示意图 如图1所示，入射光方向平行于晶体光轴（Z 轴方向），在平行于X 轴的外加电场（E ）作用下，晶体的主轴X 轴和Y 轴绕Z 轴旋转45°，形成新的主轴X ’轴—Y ’轴（Z 轴不变），它们的感生折射率差为Δn ，并正比于所施加的电场强度E ： rE n n 3 0=∆ 式中r 为与晶体结构及温度有关的参量，称为电光系数。 n 0为晶体对寻常光的折射率。 当一束线偏振光从长度为l 、厚度为d 的晶体中出射时，由于晶体折射率10 910~10
１ 的差异而使光波经晶体后出射光的两振动分量会产生附加的相位差δ，它是外加电场E 的函数： U d l r n rE n nl ⎪⎭ ⎫ ⎝⎛==∆=3030222λπλπ λπ δ (1) 式中λ为入射光波的波长；同时为测量方便起见，电场强度用晶体两极面 间的电压来表示，即U=Ed 。 当相差πδ=时，所加电压 l d r n U U 302λ π== (2) πU 称为半波电压，它是一个可用以表征电光调制时电压对相差影响大小的 重要物理量。由（2）式可见，半波电压 决定于入射光的波长λ以及晶体材料和它的几何尺寸。由（1）、（2）式可得： δ（U ）=（πU / U π）+δ0 (3) 式中δ0为U=0时的相差值，它与晶体材料和切割的方式有关，对加工良好 的纯净晶体而言δ0=0 。 图2 电光调制器工作原理 图2为电光调制器的工作原理图。 由激光器发出的激光经起偏器P 后只透射光波中平行其透振方向的振动分 量，当该偏振光I P 垂直于电光晶体的通光表面入射时，如将光束分解成两个线偏振光，则经过晶体后其X 分量与Y 分量会产生)(U δ的相差，然后光束再经检偏器A ，产生光强为I A 的出射光。当起偏器与检偏器的光轴正交（A ⊥P ）时，根据偏振原理可求得输出光强为： ()()⎥⎦ ⎤⎢⎣⎡=2sin 2sin 22U I I P A δα (4) 式中x p θθα-=，为P 与X 两光轴间的夹角。 若取︒±=45α，这时U 对I A 的调制作用最大，并且 I A = I P sin 2 ［δ（U ）/2］ (5) 再由（3）式可得 I A = I P sin 2 ［(1/2) (πU/U π)］ πU