声光效应实验报告长安大学.docx
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声光效应实验报告长安大学
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声光效应实验报告长安大学
篇一:
声光效应实验报告
声光效应实验报告
布拉格衍射与喇曼拉斯衍射比较布拉格衍射
实验条件:
光速斜入射,声光作用距离满足L 特点:
只有当入射光方向满足一定条件时,才有显著的声光衍射;除0级光外,衍射光或者只有+1级或者只有-1级;衍射光效率η很高,可高达100%。
喇曼拉斯衍射
实验条件:
光束相对于超声波波面以某一角度入射,且其作用距离满足L>λ2s/2λ
特点:
对入射光方向无严格要求,一般取垂直入射;除0级光外,衍射光有许多级且呈对称分布,一级衍射光最大衍射效率为34%,高级衍射光衍射效率更低。
喇曼拉斯衍射实验现象如下图:
测布拉格衍射偏转角Φ与超声波频率fs关系曲线,计算声速
光敏元数=2700位光敏元尺寸=11μm×11μm光敏元线阵有效长=29.7mm定标:
光敏元件有效长度对应示波器上8格计算公式:
?
?
2ib?
vs?
?
sfs
?
?
?
0?
sn?
s
注:
L是声光介质的光出射面到ccD线阵光敏面的距离。
则Φ-fs曲线为
根据表格计算可得:
s?
1048m/s
篇二:
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1.2.3.
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
了解声光效应的原理;
测量声光器件的衍射效率和带宽及对光偏转的研究;利用声光效应测量声波在介质中的传播速度。
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L?
2?
2而且s,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
2?
ssin?
?
?
n
(1)
式中λ为光波的波长,固体介质的折射率为n。
bragg?
s为声波的波长,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sin?
?
?
m
?
?
s
(2)
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I1I0最大不超过35%,但这种衍射没有bragg条件的限制,
所以对入射角要求不严格,调整方便。
图一声光效应示意图
图二对于
布拉格衍射
bragg衍射,当bragg角θ很小时,衍射光相对于入射光的
偏转角Φ为
?
?
2?
?
?
?
?
0fs(3)?
snvs
式中vs为超声波的波速,fs为超声波的频率。
在bragg衍射下,一级衍射的光衍射效率为
?
?
sin2?
?
?
?
?
0?
m2Lps
2h
?
?
(4)?
?
式中ps为超声波的功率,L和h为超声换能器的长和宽,m2为反映
声
光介质本身性质的一常数,m2?
n6p2?
vs?
,ρ为介质密度,p为光弹系数。
以上讨论的是超声行波衍射的情况,实际上,介质中也可能出现超声驻波衍射的情况。
超声驻波对光的衍射也产生Raman-nath衍
射
和bragg衍射,而且各衍射光的方向的方位角和超声波的频率的关
系
与超声行波的情况相同。
由(3)式和(4)式可以看出,采用bragg衍射,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。
本实验是利用“远场接受”的衍射装置,如图3所示。
篇三:
声光效应物理实验报告
声光效应实验研究
介质中传播的超声波会造成介质的局部压缩和伸长。
由于弹性应变而使介质的折射率或介电常数发生改变,当光通过介质时就会发生衍射现象,称之为声光效应。
由于声光效应,衍射光的强度、频率、方向等都随着超声波场而变化。
其中衍射光偏转角随超声波频率变化的现象称为声光偏转;衍射光强度随超声波功率变化的现象称为声光调制。
早在19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。
【实验目的】
1.了解声光相互作用的原理。
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。
【实验仪器】
so2000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。
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。
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-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。
本实验只涉及到各项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y方向传播的平面纵波,其角频率为ωs,波长为λs波矢为ks。
入射光为沿x方向传播的平面波,其角频率为ω,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10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?
(15
n2)ps
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?
so*sin(wst?
ksy)
当应变较小时,折射率作为y和t的函数可写作
n(y,t)?
n0?
?
nsin(wst?
ksy)
式中,n0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?
n?
?
1n3ps02
设光束垂直入射(k⊥ks)并通过厚度为L的介质,则前后两点的相位差为
?
?
?
k0n(y,t)L?
?
?
0?
?
?
sin(wst?
ksy)式中,k0为入射光在真空中的波矢的大小,右边第一项△Ф0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),δФ=k0△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。
设入射面上x=-L/2的光振动为ei=Ae,A为一常数,也可以是复数。
考虑到在出射面x=L/2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射光叠加结果为it
e?
ceiwtei?
?
sin(ksy?
wst)e?
ik0ysin?
dy
式中,b为光束宽度,θ为衍射角,c为与A有关的常数,为了简单可取为实数。
分析可知与第m级衍射有关的项为em?
e0ei(w?
mwst)b2?
b2
e0?
cbJm(?
?
)sin[b(mks?
k0sin?
)/2]b(mks?
k0sin?
)/2
因为函数sinx/x在x=0取极大值,因此有衍射极大的方位角θm由下式决定:
sin?
m?
mks?
?
m0
k0?
s
式中,λ0为真空中光的波长,λs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为超声波长的光栅。
由(7)式可知,第m级衍射光的频率ωm为
wm?
w?
mws
可见,衍射光仍然是单色光,但发生了频移。
由于ω>>ωs,这种频移是很小的。
第m级衍射极大的强度Im可用(7)式模数平方表示:
22Im?
e0e*?
c2b2Jm(?
?
)?
I0Jm(?
?
)
式中,e0为e0的共轭复数,I0=cb﹡22
第m级衍射极大的衍射效率ηm定义为第m级衍射光的强度与入射光的强度之比。
由(11)式可知,ηm正比于Jm(δФ)。
当m为整数时,J-m(a)=(-1)Jm(a)。
由(9)式和(11)式表明,各级衍射光相对于零级对称分布。
当光束斜入射时,如果声光作用的距离满足L 式中i为入射光波矢k与超声波波面的夹角。
上述的超声衍射称为喇曼-纳斯衍射,相当于一个入射光子连续同几个声子相互作用的情形,因此喇曼-纳斯衍射是多极衍射。
有超声波存在的介质起一平面位光栅的作用。
当声光作用的距离满足
L>2λs/λ,而且光束相对于超声
波波面以某一角度斜入射时,
在理想情况下除了0级之外,只
出现唯一的衍射级,+1级或-1级衍射。
如图2所示。
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。
2
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