声光效应
中山大学实验人：yxy 日期：2012.11.5 & 11.12 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
21
(
)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，0λ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。这就是得广播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。
图1 超声波引起的位相光栅对入射光的衍射
（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相同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相同的偏振状态，相应的折射率相同，成为正常声光效应。
2、入射光处于某种偏振状态，经声光作用，衍射光的偏振状态变为另一种偏振台。成为反常声光效应。这里主要介绍正常声
光效应。 图2 Bragg 衍射的示意图
在正常声光作用情况下，i d n n n ==，从而0i d k k nk ==，有i d B θθθ==，B θ称为Bragg 角，于是
001sin 222B s
K
f nv k λλθ===Λ
（Bragg 条件）
与描述X 光晶格衍射的Bragg 定律得对比，λ相当于介质中X 光波长，Λ相当于晶格常数，所以人们沿用这一名称，成为Bragg 条件。满足Bragg 条件是，只有唯一的衍射级，上移或下移，但不用时存在。
注意到衍射光相对于入色光的偏转角
02/(/)i d B s nv f αθθθλλ=+=≈Λ=
或
0(/)s nv f αλ?=?
其中α?是与声频变化范围f ?相应的衍射光扫过的角度。通常把衍射光强从极大值下降3dB 所相应的频宽定义作半功率带宽或Bragg 带宽，记作B f ?。
此外还存在另一类所谓Raman-Nath 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。有
()()m d i m d i k k mK
m ω
ω=+=+Ω
上标（m ）表示m 级衍射，m 取正，负整数值。同样可近似
认为()
m d i k k k ≈=，于是有
()sin sin m d i m
λ
θθ=+Λ
Raman-Nath 衍射是多级衍射。
图3 Raman-Nathy 衍射的示意图
从光栅角度来说，Raman-Nath 衍射，使当超声频率较低，光线平行于声波面入射时，当光波通过声光介质时，几乎不经过声波波面，因此它只受到相位调制，声波的作用可视为一个平面相位光栅。故平行入射光束通过时，将产生多级衍射光。而Bragg 衍射，是当超声频率较高，声光作用长度L 较大，而且光束与声波面间以一定角度写入射，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不能用平面相位光栅来描述。
三．【实验装置图】
图4 声光效应实验装置图
图5 声光模拟通信实验装置图
四．【实验内容】
1.正确连接各个部件。调节激光器和声光晶体至布拉格衍射最佳位置。
2.调出布拉格衍射，对示波器定标。
3.在布拉格衍射条件下测量衍射光相对于入射光的偏转角α与超声波频率f的关系曲线，并计算声速v。
4.布喇格衍射下，固定超声波功率，测量1级衍射光与零级衍射光的相对强度与超声波频率的关系曲线。并定出声光器件的中心频率（1级衍射光最强时对应的频率）和带宽（衍射光强从极大值下降到一半对应的频宽）。要测量10点以上。
5.测定布喇格衍射下的最大衍射效率I1/I0。
6.布喇格衍射下，将超声波频率固定在中心频率上，测量衍射光强度与超声波功率的关系曲线。
，并与理论值比较。
7.在喇曼-纳斯衍射下（光束垂直入射），测量衍射角
m
8.在喇曼-纳斯衍射下，在声光器件的中心频率上测定1级衍射光的衍射效率，并与布喇格衍射下的最大衍射效率比较。
9.进行声光模拟通信实验。观测0级和1级信号的波形，是同相还是反相。改变超声波功率，注意观察模拟通信接收器的音乐的变化，分析原因。
五．【实验过程记录】
第一周：
第二周：
六．【实验数据处理与分析】
相关实验数据参数记录：
型号：LM601S 声速：v=3632m/s 光敏元素：2700个 介质折射率：n=2.386 光敏元尺寸：1111 激光波长：=650nm
光敏中心距：11
光谱响应范围：0.3—0.9
响应峰值：0.56
光敏元线阵有限长：29.7mm
1. 展开仪器，完成声光效应实验的安装；
2. 观察喇曼－纳斯衍射和布拉格衍射，比较两种衍射的实验条件和特点；
Raman-Nath 衍射的实验条件是，超声波频率较低，且光束垂直于声波传输方向。特点是平行光通过光栅时产生多级衍射，且各级衍射极值对称地分布在零级极值两侧，其强度依次递减。
Bragg 衍射的实验条件是，光波与声波波面间以一定角度斜入射。特点是声光介质相当于一个体光栅，只出现零级和+1级或-1级衍射光。如果合理选择参数、超声光栅又足够强，可是入射光能量几乎全部转移到零级或+1级或-1级的某一级衍射极值上，从而获得高的衍射效率。
3. 调出布拉格衍射，对示波器定标：
用示波器测量衍射角，先要解决“定标”问题，即示波器X 方向上的1格等于CCD 器件上多少象元，或者示波器上1格等于CCD 器件位置X 方向上的多少距离。
5V 1.584t ms ?= 扫描速度为200 μs 格数=1.584÷0.2=7.92 实际距离=2700 ÷ 7.92 ?11=3750 μm 即示波器上一大格对应3750
CCD 的距离为：456.5+4.5=460.5（mm ）
4. 布拉格衍射下测量衍射光相对于入射光的偏转角Φ与超声波频率（即电信号频率）f 的关系曲线，并计算声速V 。
布拉格衍射条件下所测实验数据
表1 不同频率下0、1级峰距离
5.904
6.2126.826
7.2707.474
由公式l=
,可得实际间距，单位为mm 。
由公式nsinα=sin φ=
，又由于偏转角度很小，所以有α=
，可求出偏转角度。
由表1数据，得到偏转角度与超声波频率的关系曲线如下图6所示：
图6 偏转角α与频率f 的关系曲线图
拟合数据如下：
由图1和拟合结果可见，α与f成线性关系
晶体中的声速：标准值V=3632m/s
相对误差E==2.64%
1.在测量声光源到CCD距离时，人为测量有读数误差；
2.偏转角度是用近似的方法求出的；
5. 布拉格衍射下，固定超声波功率，测量衍射光相对于零级衍射光的相对强度与超声波频率的关系曲线，并定出声光器件的带宽和中心频率。
表2 不同频率下的相对强度
由以上数据，得相对强度与超声波频率关系曲线如图7 ：
图7 相对强度与频率的关系曲线
可得本实验所用的声光器件的中心频率为97.53MHz 。 衍射效率最大为66.3%，则衍射效率下降到
时的频率范围即为带宽，
注：超声波的频率变化范围是80—120MHz ，确定超声波的功率不变。本实验所取
的固定功率是75mA ，在此功率下，频率只能变化到100MHz 左右。
1.测量数据偏少，使得得到的中心频率和带宽有一定的误差。
6. 测定布拉格衍射下的最大衍射效率，衍射效率 ＝10
I I 。其中。0I 为未发生声光衍射时“0
级光”的强度，1I 为发生声光衍射后1级光的强度。
当频率f ＝97.53MHz 时，测得布喇格衍射的最大衍射效率为：
1I ＝1.0，0I ＝3.33 总光强I=
，所以有最大衍射效率：η=
7. 布拉格衍射下，将功率信号源的超声波频率固定在声光器件的中心频率上，测出衍射光强度与超声波功率曲线。
固定超声波频率为中心频率f=97.53MHz ，改变功率，记录衍射光强度如表3所示： 表3 衍射强度随功率的改变
得到关系曲线如图8、9所示：
图8 0级、1级衍射光强与功率的关系曲线
图9 相对衍射光强与功率的关系曲线
可以看到， 0级衍射光强度随着超声波功率的增加而降低，1级衍射光的强度随着超声波功率增加而增加，相对衍射光强度随着超声波功率的增加而增加。
8．在喇曼－纳斯衍射下（光束垂直入射），测量衍射角m θ，并与理论值比较。
固定频率在中心频率f=97.53MHz ，调节光垂直入射，实验测得数据如下所示：
表4 拉曼—纳斯衍射
6.894
7.315
6.826
7.315
实际偏转距离l=（mm ） 偏转角度
m θ=
理论偏转角θ=sin θ=
其中，λ=650nm ，n=2.386，Vs=3632m/s, fs=97.53MHz 相对误差E1== 5.76%，E2=
6.68%
1. 可能光线没有调到完全垂直，使两峰并不完全对称；
2. 读数误差。
3. 计算的时候用到了声速V 的值 ，而声速是在上面的实验中计算出来的，但是在计算
声速的时候，由于测量的点太少，导致误差。
9．在喇曼－纳斯衍射下，在声光器件的中心频率上测定1级衍射光的衍射效率，并与布喇格衍射下的最大衍射效率比较。
当频率f=97.53MHz 时，测得喇曼－纳斯衍射的最大衍射效率为：
1I ＝1.06V ，0I ＝6.61V 衍射效率η=
布拉格衍射条件下，衍射效率为
可见在同等情况下喇曼－纳斯衍射的最大衍射效率低于布喇格衍射效率，可见声光效应以工作在Bragg 区域为佳。
10．进行声光模拟通信实验。观测0级和1级信号的波形，是同相还是反相。改变超声波功率，注意观察模拟通信接受器的音乐变化，分析原因。
1. 0级衍射光射入光电池时，与示波器上显示的光电信号同相; 1级衍射光射入光电池时，与示波器上显示的光电信号反相。
2.当音乐调高时，示波器光电信号越密集。
3.示波器波形的振幅的大小随功率的增大而增大。
① 当输入信号为高电平时产生声光效应，发生衍射，0级信号光强增强，变成高电平，
未发生衍射时则为低电平，于是0级信号波形同相；1级信号发生衍射时是低电平，未发生时为高电平，则1级信号波形反相。 ② 当音乐调高时，信号的频率较高，激光经过调制后带着信号的信息，在示波器上就
看到密集的波形；反之，则看到稀疏的波形；
③ 功率越大，超声波的能量越大，对激光的调制也越大，振幅也越大；
七．【思考与讨论】
1．为什么说声光器件相当于相位光栅？
答：声光器件中压电换能器将驱动信号转换为声信号，入射波语声波在介质中相遇，当光通过线度为l 声光互作用介质时，其位相改变为00()()sin()
x n x k l k l kx t φφμ?==?+-Ω
其中
00
2/k πλ=为真空中光波数，
0λ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 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。这就是得光波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。 2. 说明Bragg 衍射和Raman －Nath 衍射的实验条件和形成原因。 答：（1）喇曼－纳斯衍射
实验条件：：超声波频率较低，光束垂直于声波传输方向。
特点：平行光通过光栅时产生多级衍射，且各级衍射极值对称地分布在零级极值两侧，其强度依次递减。1级衍射光强较Bragg衍射光强弱，即衍射效率较低。
（2）布拉格衍射
实验条件：超声波频率较高声光作用长度较大，而且光波与声波波面间以一定角度斜入射。特点：只出现0级，+1级或-1级衍射光，且+1级和-1级不能同时出现。如果合理选择参数，超声光栅又足够强，可使入射光能量几乎全部转移到0级，+1级或-1级的某一级衍射极值上，从而获得高的衍射效率。
3．调解Raman－Nath衍射时，如何保证光束垂直入射？
答：调节仪器，使各级衍射（包括二级衍射）的极值对称地分布在零级极值两侧，示波器显示零级两侧的同级峰值等高。
4．试述声光互作用的基本效应，说说其可能应用前景。
答：超声波在介质中的传播，引起介质光折射率的周期性调制，形成所谓声光栅。光通过声光栅，导致光传播方向的偏转（声光效应）和衍射光强的调制，又由于声光栅以声速在介质中运动，导致了衍射光的频率相对于入射光产生了频移。
声光效应为控制激光束频率、强度和传播方向提供了一种方便而有效的手段。
大学物理实验之声光效应
声光效应电子教案 一、实验目的 ①了解声光效应原理 ②了解布拉格衍射现象的实验条件和特点 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 二、实验原理简述 声光效应就是研究光通过声波扰动的介质时发生散射或衍射的现象。由于弹光效应，当超声纵波以行波形式在介质中传播时会使介质折射率产生正弦或余弦规律变化，并随超声波一起传播，当激光通过此介质时，就会发生光的衍射，即声光衍射。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的变化现象称为声光偏转；衍射光强度随超声波功率而变化的现象称为声光调制。主要用途有：制作声光调制器件，制作声光偏转器件，声光调Q开关，可调谐滤光器，在光信号处理和集成光通讯方面的应用。 声光衍射可以分为拉曼-拉斯（Ranman-Nath）衍射和布拉格（Bragg）衍射两种情况。本实验室主要研究钼酸铅晶体介质中的布拉格衍射现象。 布拉格方程：θB=sinθB=λfs/2nvs ，其中θB 为布拉格角，λ为激光波长，n为介质折射率，vs 为超声波在介质中的速率。由此知不同的频率对应不同的偏转角φ=2θB，所以可以通过改变超声波频率实现声光偏转。 布拉格一级衍射效率为：η1=I1/Ii=sin2((π/λ).(LM2Ps/2H)1/2) ，其中Ps为超声波功率，M2为声光材料的品质因素，L、H分别表示换能器的长和宽。由此知当超声功率改变时，η1也随之改变，因而可实现声光调制。 三、实验仪器的结构或原理简图及仪器简介 主要实验仪器如图1所示：有半导体激光器、声光器件及转角平台（图2）、超声波功率信号源、频率计、光强仪、示波器、光具座、支架、导线等附件。各仪器原理、具体型号及参数见声光效应实验讲义。 图1 声光效应主要实验仪器 图2 转角平台和声光器件
压电效应论文
中南大学 材料科学与工程学院 课程设计论文 题目：压电效应简析专业：材料加工 班级：1010 姓名：商伦阳 学号：0607101031 指导教师：余琨 二○一二年十一月
压电效应简析 一、压电效应（piezoelectric effect）概述 1.1 压电效应的定义 某些电介质，当沿着一定方向对其施力使它变形，其内部就会产生极化现 象，同时在它的两个表面上产生符号相反的电荷，当外力去掉后，它又重新恢复 到不带电的状态，我们把这种现象称为压电效应。 1.2 压电效应分类 压电效应分为正压电效应和负压电效应。 正压电效应：当晶体受到某固定方向外力的作用时,内部就产生电极化现象, 同时在某两个表面上产生符号相反的电荷；当外力撤去后，晶体又恢复到不带电 的状态；当外力作用方向改变时，电荷的极性也随之改变；晶体受力所产生的电 荷量与外力的大小成正比。通过此过程把机械能转化成电能的现象，称为正压电 效应 负压电效应：当在电介质极化方向施加电场，引起晶体机械变形的现象，称为负压电效应。它是压电效应的逆效应。其产生的原因是，压电晶体中的晶格在电场力的作用下产生较强的内应力而导致变形。压电晶体在交变电场的作用下，其内应力和形变都会发生周期性变化，从而产生机械振动。也称为电致伸缩效应。 1.3 压电效应的特性与作用：由压电效应原理可知，当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。因此，压电材料可实现机械能—电能量的相互转换。
1.4 压电效应的历史和发展 压电效应是1880年由法国著名物理学家，放射学先去皮埃尔?居里先生和雅克?保罗?居里发现的。他们发现某些晶体特别是石英等受到挤压或者拉伸力的作用后，会在相对的两个平面上产生异号电荷，且密度与电压成正比。一旦电荷出现，放点过程的发光便相伴而生。由此可知，当石英晶质体绵延几公里的时候，震前上百巴的应力变化足以造成百万伏的触发电压，低空的放点发光便在情理之中。 经过一百多年的研究，人们发现压电效应有两种，机械能转变为电能是正效应，相反为逆效应，而且有20多种晶体均含有压电效应。人工已经合成了大量的性能更佳的压电陶瓷材料，不仅发现压电材料在机械能，电能，热能，光能之间有相互转换的良好关系，还发现人体组织，毛发和骨骼都有生物压电效应。我们日常使用的打火机，音响，手机，电子表等等都使用了压电材料。目前这种材料制成的产品已广布于各个领域。 二、压电晶体 2.1 什么是压电晶体：有一类十分有趣的晶体，当你对它挤压或拉伸时，它的两端就会产生不同的电荷。这种效应被称为压电效应。能产生压电效应的晶体就叫压电晶体。水晶（α -石英）是一种有名的压电晶体。 2.2 晶体有无压电效应的判断：晶体不受外力作用时，晶体的正负电荷中心相重合，单位体积中的电矩（极化强度）等于零，晶体对外不呈现极性，而在外力作用下晶体变形时，正负电荷的中心发生分离，此时单位体积中的电矩不再为零，晶体表现出极性；另外一些晶体由于具有中心对称的结构，无论外力如何作用，晶体正负电荷的中心总是重合在一起，因此这些晶体不会出现压电效应。 具有压电效应的晶体 不具有压电效应的晶体
塞曼效应
1-3 塞曼效应 实验目的和要求： 了解塞曼效应的重要意义和原理；学习调节光路，学习使用高分辨气压扫描式法布里- 珀罗标准具（F-P）和光谱测量技术；观测和研究Hg 放电灯的546.1nm 光谱线在外磁场作用下的塞曼分裂现象和谱线的超精细结构；根据实验结果研究原子能级结构，获得有关分裂能级的参量。 教学内容： 1．计算Hg 灯546.1nm 光谱线在磁场作用下分裂的各子谱线的条数、偏振方向、波数变化，和相对强度，作出能级分裂图和光谱分裂示意图。 2．调节光路的准直和共轴，调节F-P 标准具的平行度；观察F-P 标准具产生的等倾干涉圆 环随F-P 内空气折射率的变化；通过气压扫描，用光电倍增管扫描测量546.1nm 光谱 线的强度随气压的变化，要求达到高分辨率，观测到超精细结构。 3．加垂直观测方向的磁场，观察F-P 后干涉圆环的分裂、分裂环的相对强度和偏振状态；用气压扫描测量546.1nm 谱线分裂出的9 条光谱，测量不同偏振状态下的光谱。4．分析塞曼分裂谱，计算各分裂子谱线的波数差和相对强度，并与理论值作比较，求荷质比；从塞曼分裂谱中分析得到原子能级的J 量子数和g 因子。 实验过程中可能涉及的问题(有的问题可用于检查学生的预习情况，有的可放在实验室说明牌上作提示，有的可在实验过程中予以引导，有的可安排为报告中要回答的问题，有的可作为进一步探索的问题。不同的学生可有不同的要求。) 塞曼效应是如何产生的？原子在外磁场下的能级分裂由哪些因素决定？根据你的理 论计算，在1T 磁场的作用下，Hg546.1nm光谱线分裂成几条谱线？分裂谱线的偏振态为什么不同？分裂谱线的相对强度是多少？分裂谱线的波数差为多少cm-1? 本实验通过什么方法分辨测量这么窄的光谱分裂？F-P 的自由光谱范围如何定义，在实验中有什么作用？用气压扫描式F-P 标准具实现高分辨光谱测量的实验条件有哪些（光路，平行度，准直，光电倍增管前加小孔光阑… ）？随着F-P 内气压即空气折射率的变化，为什么可以观测到分 裂谱线重复出现？如何把实验测量结果中光强随气压的变化，标定转化为，光强随谱线波数的变化？此种标定的前提条件是什么？如何尽量减少相邻谱线的互相影响？如果谱线的裂距和强度与理论计算有偏差，可能是什么原因造成的？ 实验装置说明： 1．光源及磁场：Hg 灯与电源（注意Hg 灯上高压的安全），电磁铁与电源（注意电磁铁发热效应，Hg 灯为何需置于磁场中心？） 2．光谱测量：透镜、偏振片和干涉滤光片（各起什么作用？）；气压扫描式F-P 标准具、成像透镜和带小孔光阑的光电倍增管（各起什么作用，如何调节，观察到的光学 现象？） 3．控制和数据采集：气压扫描控制器（注意在升压状态下测量）, 光电倍增管电源系统（注意屏蔽背景光后加高压使用），计算机数据采集（实验测量的是什么物理量？） 实验的主要内容和问题： 1．Hg 灯置于电磁铁中央，在垂直磁场方向观测光谱（平行磁场方向的塞曼分裂光谱会有什么不同？测量方案上有何不同？） 2．调节整体光路，使Hg 灯像、等倾干涉圆环的中心、以及观测点的中心达到准直、共心、共轴。（为什么有这些要求？如何逐步调节并判断？）
实验一 声光调制实验
实验一 声光调制实验 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、军事等方面的需求。 一、实验目的 1、掌握声光调制的基本原理。 2、了解声光器件的工作原理。 3、了解布拉格声光衍射和拉曼—奈斯声光衍射的区别。 4、观察布拉格声光衍射现象。 二、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λs ，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 ()x k t u u s s -=ωcos 01 (1) μ0是质点振动的振幅，ωs 是声波频率，k s 是声波波矢量的模。相应的应变场是 ()x k t k u x u S s s s -=??-=ωsin 01 (2) 对各向同性介质，折射率分布为
压电陶瓷测量原理
压电陶瓷及其测量原理 近年来，压电陶瓷的研究发展迅速，取得一系列重大成果，应用范围不断扩大，已深入到国民经济和尖端技术的各个方面中，成为不可或缺的现代化工业材料之一。由于压电材料的各向异性，每一项性能参数在不同的方向所表现出的数值不同，这就使得压电陶瓷材料的性能参数比一般各向同性的介质材料多得多。同时，压电陶瓷的众多的性能参数也是它广泛应用的重要基础。 （一）压电陶瓷的主要性能及参数 （1）压电效应与压电陶瓷 在没有对称中心的晶体上施加压力、张力或切向力时，则发生与应力成比例的介质极化，同时在晶体两端将出现正负电荷，这一现象称为正压电效应；反之，在晶体上施加电场时，则将产生与电场强度成比例的变形或机械应力，这一现象称为逆压电效应。这两种正、逆压电效应统称为压电效应。晶体是否出现压电效应由构成晶体的原子和离子的排列方式，即晶体的对称性所决定。在声波测井仪器中，发射探头利用的是正压电效应，接收探头利用的是逆压电效应。 （2）压电陶瓷的主要参数 1、介质损耗 介质损耗是包括压电陶瓷在内的任何电介质的重要品质指标之一。在交变电场下，电介质所积蓄的电荷有两种分量：一种是有功部分（同相），由电导过程所引起；另一种为无功部分（异相），由介质弛豫过程所引起。介质损耗是异相分量与同相分量的比值，如图 1 所示，C I 为同相分量，R I 为异相分量，C I 与总电流 I 的夹角为δ，其正切值为 CR I I C R ωδ1 tan == 其中ω 为交变电场的角频率，R 为损耗电阻，C 为介质电容。
图 1 交流电路中电压-电流矢量图（有损耗时） 2、机械品质因数 机械品质因数是描述压电陶瓷在机械振动时，材料内部能量消耗程度的一个参数，它也是衡量压电陶瓷材料性能的一个重要参数。机械品质因数越大，能量的损耗越小。产生能量损耗的原因在于材料的内部摩擦。机械品质因数m Q 的定义为： π2 的机械能 谐振时振子每周所损失能谐振时振子储存的机械?=m Q 机械品质因数可根据等效电路计算而得 11 1 11 R L C R Q s s m ωω= = 式中1R 为等效电阻（Ω），s ω 为串联谐振角频率（Hz ），1C 为振子谐振时的等效电容（F ），1L 为振子谐振时的等效电感。m Q 与其它参数之间的关系将在后续详细推导。 不同的压电器件对压电陶瓷材料的m Q 值的要求不同，在大多数的场合下（包括声波测井的压电陶瓷探头），压电陶瓷器件要求压电陶瓷的m Q 值要高。 3、压电常数 压电陶瓷具有压电性，即在其外部施加应力时能产生额外的电荷。其产生的电荷与施加的应力成比例，对于压力和张力来说，其符号是相反的，电位移 D （单位面积的电荷）和应力σ 的关系表达式为：dr A Q D == 式中 Q 为产生的电荷（C ），A 为电极的面积（m 2），d 为压电应变常数（C/N ）。 在逆压电效应中，施加电场 E 时将成比例地产生应变 S ，所产生的应变 S 是膨胀还是收缩，取决于样品的极化方向。
实验一 声光效应实验
实验 声光效应实验 【学史背景】 声光效应就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,这种现象就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与应用研究的迅速发展。声光效应为控制激光束的频率、方向与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、与可调谐滤光器等,在激光技术、光信号处理与集成光通讯技术等方面有着重要的应用。 【实验目的】 1.掌握声光效应的原理与实验规律; 2.了解喇曼－纳斯衍射与布喇格衍射的实验条件与特点; 3.测量不同激光(红光、蓝光、绿光)与红外线通过声光晶体发生布拉格衍射后的衍射角。 【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与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与反常声光效应之分。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。反常声光效应就是制造高性能声光偏转器与 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,并且运用动量匹配与失配等概念对正常与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。 图1 声光衍射
声光效应实验
时间：2014年7月7日 ——声光效应实验 大学物理实验报告
课题解析： 声光效应：超声波通过介质时会造成介质的局部压缩和伸长而产生弹性应变，该应变随时间和空间作周期性变化，使介质出现疏密相间的现象，如同一个相位光栅。当光通过这一受到超声波扰动的介质时就会发生衍射现象，这种现象称为声光效应。 实验目的： 1、观察超声驻波场中光的衍射现象 2、观察超声驻波场的像，测量声波在晶体中的速度 实验器材： 仪器与用具光学实验导轨（1m）、633nm半导体激光器、声光晶体、光信号放大器、声光效应实验电源（驻波声光调制器）、OPT-1A功率指示计以及白屏、光拦探头、一维位移架、MP3及数据线、小孔屏、光电探头、透镜（f=100mm）、光具座、传输线、电源线 主机箱面板功能： 主机箱“声光效应试验电源”主要功能为声光晶体驱动电压的输出与输出电压的指示，频率调节，被调制信号的接受与放大和还原，各面板元器件作用于功能如下： 1.表头：3位半数字表头，用于指示声光晶体驱动电压的大小，该显示数值可通过电压旋钮进行调节。 2.电压旋钮：调整范围0-12V，实验一般调到最大。 3.频率旋钮：调整范围9-11MHz，调整至适当频率使衍射效果最佳，频率值可在示波器或频率上读出（均需自备）。 4.驱动输出：Q9插座，与声光晶体相连接。 5.波形插座：Q9插座，为输出驱动波形，一般与示波器1通道连接
6.音频插座：3.5mm耳机插座，用于输入音频信号。 实验原理： 1.声波是一种弹性波（纵向应力波），在介质中传播时，它使介质产生相应的弹性形变，从而激起介质中各介质点沿声波的传播方向振动，引起介质的密度呈疏密相间的交替变化，因此，介质的折射率也随着发生相应的周期性变化。超声场作用的这部分如同一个光学的“相位光栅”，该光栅间距（光栅常数）等于声波波长λ。当光波通过此介质时，就会产生光的衍射。其衍射光的强度、频率、方向等都随着超声场的变化而变化。声波在介质中传播分为行波和驻波两种形式。图1所示为某一瞬间超声行波的情况，其中深色部分表示介质受到压缩、密度增大，相应的折射率也增大，而白色部分表示介质密度减少，对应的折射率也减少。在行波声场作用下，介质折射率的增大或减小交替变化，并以声速v（一般为10^3m/s量级）向前推进。由于声速仅为光速的数十万分之一，所以对光波来说，运动的“声光栅”可以看作是静止的。 2.晶体声光效应实验：利用石英晶体/ZF6驻波声光调制器，它由两部分构成，一是声光晶体：声光晶体由压电换能器（XO0切石英晶体）和声光互作用介质（ZF6）组成。为了在声光介质中形成驻波，沿声传播方向上声光介质的两个面要严格平行，平行度要优于λ/5。压电换能器与声光介质焊接成一体。二是驱动源：驱动源是一个正弦波高频功率信号发生器。驱动源提供的正弦高频功率信号（见图3a），通过匹配网络加到压电换能器上，换能器发出的超声波沿x正方向传播，到达对面后，被全反射，反射波沿x负方向传播，声光介质中如同存在两列频率相同、振幅相等且沿相反方向传播的超声波。 图3b所示就是这种波在十个彼此相等的瞬时间隔时的情况。沿正x方向传播的发射波用虚线表示；沿负x方向传播的反射波用实线表示；它们的叠加点划线表示。不难看出，叠加波具有相同的波长，只是在空间不产生位移。这种由两个彼此相对的行波组成的振动称为驻波。在驻波中，彼此相距λ/2的各点完全不振动，这些点称为波节。位于两波节中间的点是波腹，这些点上的振动最大。另外，显而易见的是每隔1/2T秒，振动即完全消失（图1b中从上往下数3,5,7,9行的瞬时），驻波的最大值也位于这些瞬时间隔的中间（2,4,6,8,10），而且每经过这个时间间隔，在波腹处的振动的相位相反。
压电效应及应用
压电效应应用及现状 [编辑本段] 一、原理： 压电效应的原理是，如果对压电材料施加压力，它便会产生电位差（称之为正压电效应），反之施加电压，则产生机械应力（称为逆压电效应）。如果压力是一种高频震动，则产生的就是高频电流。而高频电信号加在压电陶瓷上时，则产生高频声信号（机械震动），这就是我们平常所说的超声波信号。也就是说，压电陶瓷具有机械能与电能之间的转换和逆转换的功能，这种相互对应的关系确实非常有意思。 压电材料可以因机械变形产生电场，也可以因电场作用产生机械变形，这种固有的机-电耦合效应使得压电材料在工程中得到了广泛的应用。例如，压电材料已被用来制作智能结构，此类结构除具有自承载能力外，还具有自诊断性、自适应性和自修复性等功能，在未来的飞行器设计中占有重要的地位。 二、应用： 压电材料的应用领域可以粗略分为两大类：即振动能和超声振动能-电能换能器应用，包括电声换能器，水声换能器和超声换能器等，以及其它传感器和驱动器应用。 1、换能器 换能器是将机械振动转变为电信号或在电场驱动下产生机械振动的器件 压电聚合物电声器件利用了聚合物的横向压电效应，而换能器设计则利用了聚合物压电双晶片或压电单晶片在外电场驱动下的弯曲振动，利用上述原理可生产电声器件如麦克风、立体声耳机和高频扬声器。目前对压电聚合物电声器件的研究主要集中在利用压电聚合物的特点，研制运用其它现行技术难以实现的、而且具有特殊电声功能的器件，如抗噪声电话、宽带超声信号发射系统等。 压电聚合物水声换能器研究初期均瞄准军事应用，如用于水下探测的大面积传感器阵列和监视系统等，随后应用领域逐渐拓展到地球物理探测、声波测试设备等方面。为满足特定要求而开发的各种原型水声器件，采用了不同类型和形状的压电聚合物材料，如薄片、薄板、叠片、圆筒和同轴线等，以充分发挥压电聚合物高弹性、低密度、易于制备为大和小不同截面的元件、而且声阻抗与水数量级相同等特点，最后一个特点使得由压电聚合物制备的水听器可以放置在被测声场中，感知声场内的声压，且不致由于其自身存在使被测声场受到扰动。而聚合物的高弹性则可减小水听器件内的瞬态振荡，从而进一步增强压电聚合物水听器的性能。 压电聚合物换能器在生物医学传感器领域，尤其是超声成像中，获得了最为成功的应用、PVDF薄膜优异的柔韧性和成型性，使其易于应用到许多传感器产品中。 2、压电驱动器 压电驱动器利用逆压电效应，将电能转变为机械能或机械运动，聚合物驱动器主要以聚合物双晶片作为基础，包括利用横向效应和纵向效应两种方式，基于聚合物双晶片开展的驱动器应用研究包括显示器件控制、微位移产生系统等。要使这些创造性设想获得实际应用，还需要进行大量研究。电子束辐照P （VDF-TrFE）共聚合物使该材料具备了产生大伸缩应变的能力，从而为研制新型聚合物驱动器创造了有利条件。在潜在国防应用前景的推动下，利用辐照改性共聚物制备全高分子材料水声发射装置的研究，在美国军方的大力支持下正在系统地进行之中。除此之外，利用辐照改性共聚物的优异特性，研究开发其在医学超声、减振降噪等领域应用，还需要进行大量的探索。
塞曼效应
塞曼效应 摘要：本实验使用微机化的塞曼效应实验仪观察了汞光灯谱线在外加磁场时产生的分裂，即其塞曼效应，并由此计算了电子的荷质比。 关键词：塞曼效应；法布里-珀罗标准具；荷质比 1. 引言 19世纪伟大的物理学家法拉第研究电磁场对光的影响时，发现了磁场能够改变偏振光的偏振方向。1896年荷兰物理学家塞曼（Pieter Zeeman）根据法拉第的想法，探测磁场对谱线的影响，发现钠双线在强磁场中的分裂。洛伦兹根据经典电子论解释了分裂为三条谱线的正常塞曼效应。由于研究这个效应，塞曼和洛伦兹共同获得了1902年的诺贝尔物理学奖。他们这一重要研究成就，有力地支持了光的电磁理论，使我们对物质的光谱、原子和分子的结构有了更多的了解。 2. 实验目的 1.掌握塞曼效应理论,测定电子的荷质比,确定能级的量子数和朗德因子,绘出跃迁的能级图。 2.掌握法布里—珀罗标准具的原理和使用。 3.观察塞曼效应现象，并把实验结果和理论结果进行比较，同时了解使用CCD及多媒体计算进行实验图像测量的方法。 3.实验原理 3.1 塞曼效应简介 当光源放在足够强的磁场中时，所发出的光谱线都分裂成几条，条数随能级的类别而不同，而分裂后的谱线是偏振的，这种现象被称为塞曼效应。塞曼效应证实了原子具有磁距和空间取向量子化的现象。 塞曼效应分为正常塞曼效应和反常塞曼效应。正常塞曼效应是指那些谱线分裂为三条，
而且两边的两条与中间的频率差正好等于 4eB mc π，对于这种现象，经典理论可以给予很好的解释。但实际上大多数谱线的分裂多于三条，谱线的裂距是4eB mc π的简单分数倍，这种 现象被称为反常塞曼效应。下面具体讨论塞曼效应中外磁场对原子能级的作用。 3.2原子的总磁矩与总动量矩的关系 因为原子中的电子同时具有轨道角动量P L 和自旋角动量P S 。相应的，它也同时具有轨道磁矩轨道微矩 L μ和自旋磁矩S μ，并且它们有如下关系。 2L L S s e P m e P m μμ?=??? ?=?? (1) 其中 L s P P ? =??? ?=?? (2) (2)式中 L,S 分别表示轨道量子数和自旋量子数。 原子核也有磁矩，但它比一个电子的磁矩要小三个数量级，故在计算单电子原子的磁矩时可以把原予核的磁矩忽略，只计算电子的磁矩。 对于多电子原，考虑到原子总角动量和总磁矩为零，故只对其原子外层价电子进行累加。磁矩的计算可用图1的矢量图来进行。 图1电子磁矩与角动量关系 由于μS 与Ps 的比值比μL 与P L 的比值大一倍，所以合成的原子总磁矩不在总动量矩P J 的方向上。但由于μ绕P J 运动，只有μ在P J 方向的投影μJ 对外平均效果不为零。根据图5-2可计算出有μJ 与 P J 的关系如下。 2J J e g P m μ= (3) 上式中的g 就是郎德因子。它表征了原子的总磁矩与总角动量的关系，而且决定了能级在磁场中分裂的大小。在考虑LS 耦合的情况下，郎德因子可按下式计算。
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 301sin()sin()2 n n PS kx t kx t μ?=-Ω=-Ω ()sin()n x n n n kx t μ=+?=+-Ω 其中3012 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，0λ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。这就是得广播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相同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相同的偏振状态，相应的折射率相同，成为正常声光效应。
压电效应及其原理
压电效应及其原理 压电效应：某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。相反，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应，或称为电致伸缩现象。依据电介质压电效应研制的一类传感器称为为压电传感器。 压电效应可分为正压电效应和逆压电效应。 正压电效应 是指：当晶体受到某固定方向外力的作用时,内部就产生电极化现象,同时在某两个表面上产生符号相反的电荷；当外力撤去后，晶体又恢复到不带电的状态；当外力作用方向改变时，电荷的极性也随之改变；晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。大多是利用正压电效应制成的。 逆压电效应 是指对晶体施加交变电场引起晶体机械变形的现象。用逆压电效应制造的变送器可用于电声和超声工程。压电敏感元件的受力变形有厚度变形型、长度变形型、体积变形型、厚度切变型、平面切变型5种基本形式。是各向异性的，并非所有晶体都能在这5种状态下产生压电效应。例如石英晶体就没有体积变形压电效应，但具有良好的厚度变形和长度变形压电效应。 两种压电效应的关系 可以证明，正压电效应和逆压电效应中的系数是相等的，且具有正压电效 的材料必然具有逆压电效应。 依据电介质压电效应研制的一类传感器称为为压电传感器。 这里再介绍一下电致伸缩效应。电致伸缩效应，即电介质在电场的作用下，由于感应而产生应变，应变大小与电场平方成正比，与电场方向无关。压电效应仅存在于无对称中心的晶体中。而电致伸缩效应对所有的电介质均存在，不论是非晶体物质，还是晶体物质，不论是中心对称性的晶体，还是极性晶体。
塞曼效应(含思考题答案)
课程： 专业班号： 姓名： 学号： 同组者： 塞曼效应 一、实验目的 1、学习观察塞曼效应的方法观察汞灯发出谱线的塞曼分裂； 2、观察分裂谱线的偏振情况以及裂距与磁场强度的关系； 3、 利用塞曼分裂的裂距，计算电子的荷质比e m e 数值。 二、实验原理 1、谱线在磁场中的能级分裂 设原子在无外磁场时的某个能级的能量为0E ，相应的总角动量量子数、轨道量子数、自旋量子数分别为S L J 、、。当原子处于磁感应强度为B 的外磁场中时，这一原子能级将分裂为12+J 层。各层能量为 B Mg E E B μ+=0 （1） 其中M 为磁量子数，它的取值为J ，1-J ，...，J -共12+J 个；g 为朗德因子；B μ为玻尔磁矩（m hc B πμ4= ）；B 为磁感应强度。 对于S L -耦合 ） （） （）（）（121111++++-++ =J J S S L L J J g （2） 假设在无外磁场时，光源某条光谱线的波数为 ）（010201~E E hc -=γ （3） 式中 h 为普朗克常数；c 为光速。 而当光源处于外磁场中时，这条光谱线就会分裂成为若干条分线，每条分线波数为别为 hc B g M g M E E hc B μγγγγγ）（）（112201200~1 ~~~~-+=?-?+=?+= L g M g M ）（1 1220~-+=γ 所以，分裂后谱线与原谱线的频率差（波数形式）为 mc Be g M g M L g M g M πγγγ4~~~1 12211220）（）（-=-=-=? （4） 式中脚标1、2分别表示原子跃迁后和跃迁前所处在的能级，L 为洛伦兹单位 （B L 7.46=），外磁场的单位为T （特斯拉），波数L 的单位为 [] 1 1--特斯拉 米。 1 2M M 、的选择定则是：0=?M 时为π 成分，是振动方向平行于磁场的线偏振光，只能在垂直于
大学物理声光效应讲义
声光效应实验 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、军事等方面的需求。 一.实验目的 1、了解声光相互作用原理。 2、观察布拉格衍射现象。 3、研究声光调制和声光偏转的特性。 二.实验仪器 声光晶体、功率信号源、频率计、半导体激光器、示波器、CCD。 三.实验原理 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。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λs，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的栅面是驻立不动的。 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。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。 1、布拉格声光调制 我们设计的这套实验系统主要是用来完成利用布拉格衍射进行声光调制的各项实验，所以下面着重讲一下布拉格声光调制。 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，这就是布拉格声光衍射，如图1所示，这种衍射形式效率较高，有利于制成各种实用器件。
实验四 晶体声光效应实验
实验四 晶体声光效应实验 一、引言 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。 二、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； 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。 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 02 2λλs 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： 0sin s m λθλ=? （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：
2()m m I J I ν=入 （2） 其中，()m J ν为m 阶贝塞尔函数，0 2L πνμλ=。因为22()()m m J J νν-=，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0s m ωω±。 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 2 02s l λλ≥ 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： 0sin 2B s λθλ= （3） （4）1级衍射光强与入射光强之比为： 2112sin [()]2I nL I λπλ =? （4） 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，
声光效应的研究
实验9 声光效应的研究 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。声光效应就是研究光通过声波扰动的介质时发生散射或衍射的现象。由于弹光效应，当超声纵波以行波形式在介质中传播时会使介质折射率产生正弦或余弦规律变化，并随超声波一起传播，当激光通过此介质时，就会发生光的衍射，即声光衍射。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的变化现象称为声光偏转；衍射光强度随超声波功率而变化的现象称为声光调制。 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。 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 s w ，波长为s λ波矢为s k 。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 。 图6-9-1 声光衍射
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，??
压电效应及其原理
压电效应及其原理 压电效应:某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时,其内部会产生极化现象,同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后,它又会恢复到不带电的状态,这种现象称为正压电效应。当作用力的方向改变时,电荷的极性也随之改变。相反,当在电介质的极化方向上施加电场,这些电介质也会发生变形,电场去掉后,电介质的变形随之消失,这种现象称为逆压电效应,或称为电致伸缩现象。依据电介质压电效应研制的一类传感器称为为压电传感器。 压电效应可分为正压电效应与逆压电效应。 正压电效应 就是指:当晶体受到某固定方向外力的作用时,内部就产生电极化现象,同时在某两个表面上产生符号相反的电荷;当外力撤去后,晶体又恢复到不带电的状态;当外力作用方向改变时,电荷的极性也随之改变;晶体受力所 产生的电荷量与外力的大小成正比。压电式传感器大多就是利用正压电效应制成的。 逆压电效应 就是指对晶体施加交变电场引起晶体机械变形的现象。用逆压电效应制造的变送器可用于电声与超声工程。压电敏感元件的受力变形有厚度变形型、长度变形型、体积变形型、厚度切变型、平面切变型5种基本形式。压电晶体就是各向异性的,并非所有晶体都能在这5种状态下产生压电效应。例如石英晶体就没有体积变形压电效应,但具有良好的厚度变形与长度变形压电效应。 两种压电效应的关系 可以证明,正压电效应与逆压电效应中的系数就是相等的,且具有正压电效的材料必然具有逆压电效应。 依据电介质压电效应研制的一类传感器称为为压电传感器。 这里再介绍一下电致伸缩效应。电致伸缩效应,即电介质在电场的作用下,由于感应极化作用而产生应变,应变大小与电场平方成正比,与电场方向无关。压电效应仅存在于无对称中心的晶体中。而电致伸缩效应对所有的电介质均存在,不论就是非晶体物质,还就是晶体物质,不论就是中心对称性的晶体,还就是极性晶体。