光电效应实验报告.docx
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光电效应实验报告
声光效应
【实验目的】
1.理解声光效应的原理,了解Raman-Nath衍射和Bragg衍射的区别。
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.测量声光偏转和声光调制曲线。
4.模拟激光通讯。
【实验仪器】
本实验所用仪器为南京浪博科教仪器研究所的SO2000声光效应试验仪,可
完成基本声光效应实验和声光模拟通信实验,如图1和图2.
图1声光效应实验安装图
图2声光模拟通信实验安装图
【实验原理】
(一)声光效应的物理本质一一光弹效应
介质的光学性质通常用折射率椭球方程描述
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
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
1
卅—)=PS,
n
应变S=S0sin(kx-:
」t)
表示在x方向传播的声应变波,So是应变的幅值,k=^/Vs是介质中的声波
数,门=2二f为角频率,Vs为介质中声速,上二vs/f为声波长。
P表示单位应变
所应起的(1/n2)的变化,为光弹系数。
又得
13
inn3PS0sin(kx-;.;t)二"sin(kx-:
;t),
2
n(x)二n•=n=n;i:
_sin(kx-Mt)
其中=丄n3PS0是“声致折射率变化”的幅值。
考虑如图一的情况,压电
2
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I的声光互作用介质时,其相位改变为:
:
(x)二n(x)kol二:
0亠'kolsin(kx-:
计)
其中k0=2二/'0为真空中光波数,'0是真空中的光波长,卞:
I=nk°l为光通过不存
在超声波的介质后的位相滞后,项
Ak0lsin(kx-0t)为由于介质中存在超声波
图1超声波引起的位相光栅对入射光的衍射
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。
这就使得光的波阵面由原先的平面变为周期性的位相绉折,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
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。
kd=ki二k
•'wfi二门
入射光和衍射光处于相同的偏振状态,相应的折射率相同,称为正常声光效应。
在正常声光作用情况下,山=g二n,从而K二心二nk0,有弓-^d-vB,^B
称为Bragg角,于是
sinOB=丄谢(Bragg条件)
2忖2A2nVs
与描述X光晶格衍射的Bragg定律得对比,入相当于介质中X光波长,A相
当于晶格常数,所以人们沿用这一名称,称为Bragg条件。
满足Bragg条件是,
只有唯一的衍射级,上移或下移,但不同时存在。
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
上标(m表示m级衍射,m取正,负整数值。
同样可近似认为kdmr-k^k,于是有
sin/m)=sinrm—
A
Raman-Nath衍射是多级衍射。
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)衍射效率
在Raman-Nath近似下,即
其中L为声光互作用长度。
第m级衍射光的振幅为
m级衍射效率即m级衍射光强同入射光强之比为
其中为入射光振幅,,为介质中无声场时的介电常数,为
声致介电常数变化的幅值。
Bragg衍射效率即1级衍射光强同入射光强之比:
其中
声功率
注意到的表达式及一
中杨氏模量p,LH是压电换能器的面积,故
其中p是物质常数。
理论上布喇格衍射的衍射效率可达到
100%喇曼-纳斯衍射中一级衍射光的最大衍射效率仅为34%所以实用的声光
器件一般都米用布喇格衍射。
【实验内容及步骤】
1.认真阅读声光效应说明书,正确连接各个部件。
调节激光器和声光晶体至布喇格衍射最佳位置。
2.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。
3.调出布喇格衍射,对示波器定标。
用示波器测量眼社交,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,从而对应CCD上X方向上的多少距离。
4.在布喇格衍射条件下测量衍射光相对于入射光的偏转角©与超声波频率fs的
关系曲线,并计算声速V&测量出5组(©,fs)值。
5.布喇格衍射下,固定超声波功率,测量1级衍射光和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。
要测量10
点以上。
6.测定布喇格衍射下的最大衍射效率I1/I0。
其中I。
为未发生声光衍射时的零级光强,h为1级衍射光强度。
7.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。
8.在喇曼-纳斯衍射下(光垂直入射),测量衍射角9m,并与理论值比较。
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。
10.进行声光模拟通信。
观察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。
【实验数据及分析】
2.布拉格衍射实验条件:
斜入射;特点:
有两条衍射光线,只有+1(-1)级和0级。
拉曼纳斯衍射实验条件:
垂直入射;特点:
有多条衍射光线。
3.调出布喇格衍射,示波器上一个周期的长度是1.636ms,对应CCD上的宽为
29.7mm,定标为29.7/1.626=18.27mm/ms
4.CCD与晶振面的距离为34cm,在布喇格衍射下测量零级和一级衍射光的距离
△l随频率的变化,及计算得到的偏转角(弧度制)如下
频率(MHz)
△l
(ms)
转
偏角
80
0.262
[0.0141
85
0.292
0.016
90
:
0.316
0.017
95
0.328
0.018
100
[0.344
0.018
105
0.358
0.019
110
0.372
0.020
115
[0.386
[0.021:
120
0.4
0.021
画出对应的偏转角与超声波频率的关系曲线如下
0029-
-耳r.f耳
i .-<4 ■ 0019- ■" ■ 牝■oghi y-■*b"KNOVi雋0*il河| 001A- 叶kiT^jrniot MR-5q.,rtr U74«7fi -7 DO1*' ■ 却ffl 凋1■畑i|XSIG|M Vskit和谶 1737100 ^lardardt 1TI'1I! 'I■! '1-5- M朋90鉛1ODm110tis120 ■fe电(MHz) 在误差允许范围内,偏转角与频率成线性关系,与理论公式一相符合。 5.布喇格衍射下固定功率为68mW,测量示波器上对应0级衍射光和1级衍射光的电压随频率的变化,并计算相对光强li/lo,数据如下 频率MHz 0级V 1级V 相对光 强I1/I0 80 8.94 6.34 0.709 85 8.36 8.84 1.057 90 7.64 8.98 1.175「 95 7.46 9.14 1.225 100 8.40 8.74 1.040 105 8.70 8.12 0.933 110 8.84 7.54 0.853 115 9.04 6.50 0.719: 120 9.14 4.00 0.438 画出对应的1级衍射光与0级衍射光随超声波频率的关系曲线,如下图 95 9.0 65- ■80 7.5 7.0-靈6-5-去60 55 5.0- 由图中可以看出,随着超声波频率的增大,0级光强先减小后增大,1级光 强先增大后减小。 从图中直接看出1级衍射光强最大对应的频率为95MHz,即 声光器件的中心频率为95MHz°1级光强对应电压的极值为9.14V,下降到其—时 的值为6.463V,对应图中的直线。 用软件读出与1级光强曲线的两个交点为 (80,6.463)和(115,4.463),所以声光器件的带宽为35MHz。 频率 MHz 1级V 衍射效率 80 6.34 0.685 85 8.84 0.955: 90 8.98 0.970 95 9.14 0.987 100 8.74 0.944「 105 8.12 0.877 110 7.54 0.814 115 6.50 0.702 120 4.00 0.432 从上面数据可以看出,布喇格最大的衍射效率为98.7%。 7.布喇格衍射下,将超声波固定在中心频率95MHz,测量衍射光强度随超声波 功率的变化,数据如下 0级(V)1级(V) (mW) 20 [9.24 0.38「 28 9.24 1.22 36 9.24 2.48 44 「9.24 5.04「 52 9.22 6.96 60 9.22 8.16 68 [9.08 8.08「 76 9.00 9.20 画出相应的曲线 20263035«455©55MM7075帥 功军(mA) 从上图可以看出,在中心频率下,随着超声波功率的增大,0级衍射光强度 微弱减小,1级衍射光强度增大且速度较快。 与理论(4-2-19)相符合。 8.在喇曼-纳斯衍射下,测量零级与正负一级的距离,数据如下 0与+1 0与-1 示波器距离 ms 0.325 0.310 偏转角 0.0087 0.0083 偏转角理论值 0.0075 0.0075 相对误差% 0.1568 0.1034 理论值为一一,其中 fs=100MHz因为角度较小,故有 9.在中心频率95MHz,喇曼-纳斯衍射下,未发生衍射的光强Io,衍射零级光强 Io,'衍射正负一级光强Ii(相等)分别对应的电压,及衍射效率如下 Io Io' I1 电压V 9.12 8.96 0.68 衍射效率l/lo 0.9825: 0.0746: 正负一级的衍射效率为7.46%,而布喇格最大的衍射效率为98.7%,明显布喇格的最大衍射效率远远大于喇曼-纳斯衍射。 10.进行声光模拟通信实验,观测0级和1级信号的波形,发现0级同相,1级反相。 改变超声波功率,功率越大,接收端信号幅值越大,声音越大,发送端音量与幅值不变。 【思考题】 1.为什么说声光器件相当于相位光栅? 答: 压电换能器将驱动信号转换为声信号,入射平面波与声波在声光介质中(共面)相遇,当光通过线度为I的声光作用介质是,其位相改变为 其中为光通过不存在超声波的介质后的位相滞后,项 为介质中存在超声波而引起的光的附加位相延迟。 它在x方向周期性地变化,犹如光栅一般,故称“相位光栅”。 2.声光器件在什么实验条件下产生喇曼-纳斯衍射? 在什么实验条件下产生布喇格衍射? 两种衍射的现象各有什么特点? 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调节喇曼-纳斯衍射时,如何保证光束垂直入射? 答: 调节衍射角、CC的位置直至在示波器上,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,即可视为光束垂直入射。 4.声光效应有哪些可能的应用? 答: 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。 主要用途: 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。
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