实验三晶体声光效应声光效应是指光通过某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超声波相互作用的结果。1922年，布里渊预测：若液体有弹性波存在，当光束垂直于弹性波传播方向并且以一定的角度入射时，经过液体后将产生类似于光栅衍射的实验现象，这种现象被定义为声光效应。1932年，德拜和席尔斯、卢卡斯和比夸特分别观察到了这种声光衍射现象，布里渊理论上的预测得到了实验验证。后来，通过多次实验，人们不仅在液体中，而且在透明的固体中也发现了这种现象：利用压电晶体的反压电效应激发超声波，产生的超声波将在与压电晶体相连的声光晶体中传播，当光通过声光晶体时，将产生光的衍射现象。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．了解声光效应的原理2.学习掌握CCD的基本工作原理3.观察喇曼-奈斯衍射和布拉格衍射现象4.测量声光偏转和声光调制曲线【实验原理】1.声光效应当超声波（纵向应力波）通过晶体中时，会改变晶体的光学特性，使其折射率n发生改变，形成随超声波强度而变化的分布，整个晶体相当于一个位相光栅，位相光栅的光栅常数等于声波波长元，。光波通过此晶体时，会产生光的衍射，衍射光的强度、频率、方向等都随着超声的变化而变化，这种现象称为声光效应。通过控制超声波的频率和强度可以达到控制光的偏转方向和强度的目的，基于这一原理可以制作成声光偏转器和声光调制器等器件，在光电子和光通讯等领域具有广泛的应用
实验三 晶体声光效应 声光效应是指光通过某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 质中超声波相互作用的结果。 1922 年，布里渊预测：若液体有弹性波存在，当光束垂直于弹性波传播方向并且以一 定的角度入射时，经过液体后将产生类似于光栅衍射的实验现象，这种现象被定义为声光效 应。1932 年，德拜和席尔斯、卢卡斯和比夸特分别观察到了这种声光衍射现象，布里渊理 论上的预测得到了实验验证。后来，通过多次实验，人们不仅在液体中，而且在透明的固体 中也发现了这种现象：利用压电晶体的反压电效应激发超声波，产生的超声波将在与压电晶 体相连的声光晶体中传播，当光通过声光晶体时，将产生光的衍射现象。 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. 了解声光效应的原理 2. 学习掌握 CCD 的基本工作原理 3. 观察喇曼-奈斯衍射和布拉格衍射现象 4. 测量声光偏转和声光调制曲线 【实验原理】 1.声光效应 当超声波（纵向应力波）通过晶体中时，会改变晶体的光学特性，使其折射率 n 发生改 变，形成随超声波强度而变化的分布，整个晶体相当于一个位相光栅，位相光栅的光栅常数 等于声波波长 s 。光波通过此晶体时，会产生光的衍射，衍射光的强度、频率、方向等都 随着超声的变化而变化，这种现象称为声光效应。通过控制超声波的频率和强度可以达到控 制光的偏转方向和强度的目的，基于这一原理可以制作成声光偏转器和声光调制器等器件， 在光电子和光通讯等领域具有广泛的应用
设声光介质中的超声行波是沿y方向传播的平面纵波，角频率为の，波ks长为元，波矢为ks。入射光为沿x方h向传播的平面波，其角频率为の，在介2质中的波长为入，波为k（如图6-3-1)。介质内的弹性应变也以行波形式随声0x波一起沿y方向传播。由于光速大约是声速的105倍，在光波通过的时间内介bk2LL质在空间上的周期变化可看成是固定22L的。由应变引起的介质折射率的变化图6-3-1声光衍射由下式决定：)=P.SAC-(6-3-1)n式中，n为介质折射率；P为光弹系数；S为应变。通常，P和S为二阶张量。当声波在各向同性介质中传播时，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, sin(o,t-k,y)(6-3-2)S。表示静止时的应变。当应变较小时，折射率作为y和t的函数可写成n(y,t)=n。 +Ansin(o,t-ky)(6-3-3)式中，no为无超声波时的介质折射率：△n为声波折射率变化的幅值。其中1An=in'Ps.(6-3-4)声光效应主要有两种不同的分类方式。（1）按入射光和衍射光的偏振特性分，可以分成正常声光效应和反常声光效应两类。正常声光效应中衍射光的偏振方向与入射光相同，因而折射率也相同，即如果入射光是0光（寻常光），则衍射光也是o光，反之入射光是e光（非寻常光），衍射光也是e光。正常声光效应一般是由超声纵波引起的。反常声光效应中衍射光的偏振方向与入射光不同，因而折射率也不同，即若入射光是光，则衍射光变成e光，反之入射光是e光，衍射光变成o光
设声光介质中的超声行波是沿 у 方 向传播的平面纵波，角频率为 s ，波 长为 s ，波矢为 kS。入射光为沿 х 方 向传播的平面波，其角频率为 ，在介 质中的波长为 ，波矢为 k（如图 6-3-1）。 介质内的弹性应变也以行波形式随声 波一起沿 y 方向传播。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。 由应变引起的介质折射率的变化 由下式决定： 2 1 ( )= n P S （6-3-1） 式中， n 为介质折射率； P 为光弹系数； S 为应变。通常， P 和 S 为二阶张量。当声 波在各向同性介质中传播时， 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 （6-3-2） 0 S 表示静止时的应变。当应变较小时，折射率作为 y 和 t 的函数可写成 n y,t n nsin t y ( )= - 0 s s + ( k ) （6-3-3） 式中，n0 为无超声波时的介质折射率；△n 为声波折射率变化的幅值。其中 3 0 0 1 n=- n 2 PS （6-3-4） 声光效应主要有两种不同的分类方式。 （1）按入射光和衍射光的偏振特性分，可以分成正常声光效应和反常声光效应两类。 正常声光效应中衍射光的偏振方向与入射光相同，因而折射率也相同，即如果入射光是 o 光 （寻常光），则衍射光也是 o 光，反之入射光是 e 光（非寻常光），衍射光也是 e 光。正常声 光效应一般是由超声纵波引起的。反常声光效应中衍射光的偏振方向与入射光不同，因而折 射率也不同，即若入射光是 o 光，则衍射光变成 e 光，反之入射光是 e 光，衍射光变成 o 光。 0 s s S S k = sin( t y) - 图 6-3-1 声光衍射 kS b 2 b 2 L 2 x y k 0 L 2 θ
反常声光效应一般由超声切变波，也就是横波引起。本实验讨论的是正常声光效应。（2）按声光互作用的长度分，可以分成喇曼-奈斯声光效应和布拉格声光效应两类。喇曼-奈斯声光效应的声光互作用区域比较短，声光晶体相当于一个平面光栅，它对入射光方向要求不严格，垂直入射或斜入射都可以，并且能产生多级衍射光。布拉格声光效应的声光互作用区域比较长，整个声光晶体相当于一个体光栅，对入射光方向要求很严格，只有满足布拉格条件的入射光才能产生衍射光，并且往往只有一级衍射光。总体上，仪器是按照布拉格衍射的标准设置的，可以演示一下喇曼-奈斯衍射现象。2.喇曼-奈斯衍射声波当超声波频率较低，光波平行于L声波面入射，声光互作用长度L较短声波阵面x时，在光波通过介质的时间内，折射(1/ / 1 A/ / 1率的变化可以忽略不计，声光介质可近似看作为相对静止的“平面位相栅”，入射光衍射光产生喇曼-奈斯衍射。由于声速比光速小得多，故声光介质可视为一个静止光波阵面的平面位相光栅。而且声波长入，比光波长几大得多，当光波平行通过介质1元时，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）图6-3-2喇曼-奈斯衍射图部分的光波阵面将延迟，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，形成一个折皱曲面，如图6-3-2所示。设光束垂直入射（k工ks）并通过厚度为L的介质，则前后两点的相位差为A=k,n(y,t)L=k,n.L+k,AnLsin(o,t-ky)=Φ。+&psin(o,t-ky)（6-3-5)式中，k为入射光在真空中的波矢的大小，右边第一项<o为不存在超声波时光波在介质前后二点的相位差，第二项为超声波引起的附加相位差（相位调制），8d=ko△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阵面变为周期变化的皱折波面，从而改变了出射光的传播特征，使光产生衍射
反常声光效应一般由超声切变波，也就是横波引起。本实验讨论的是正常声光效应。 （2）按声光互作用的长度分，可以分成喇曼-奈斯声光效应和布拉格声光效应两类。喇 曼-奈斯声光效应的声光互作用区域比较短，声光晶体相当于一个平面光栅，它对入射光方 向要求不严格，垂直入射或斜入射都可以，并且能产生多级衍射光。布拉格声光效应的声光 互作用区域比较长，整个声光晶体相当于一个体光栅，对入射光方向要求很严格，只有满足 布拉格条件的入射光才能产生衍射光，并且往往只有一级衍射光。总体上，仪器是按照布拉 格衍射的标准设置的，可以演示一下喇曼-奈斯衍射现象。 2.喇曼-奈斯衍射 当超声波频率较低，光波平行于 声波面入射，声光互作用长度 L 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，声光介质可 近似看作为相对静止的“平面位相栅”， 产生喇曼-奈斯衍射。由于声速比光速 小得多，故声光介质可视为一个静止 的平面位相光栅。而且声波长 s 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） 部分的光波阵面将延迟，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， 形成一个折皱曲面，如图 6-3-2 所示。 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 + + = n y,t = n n sin t y = sin t y k L k L k L k k 0 0 0 0 s s 0 s s ( ) ( - - ) ( ) （6-3-5） 式中，k0 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 质前后二点的相位差，第二项为超声波引起的附加相位差（相位调制），δΦ=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阵面变为周期变化的皱折波面， 从而改变了出射光的传播特征，使光产生衍射。 L 入射光 声波阵面 光 波 阵 面 x 衍射光 声波 y λ0 图 6-3-2 喇曼-奈斯衍射图
L上的光振动为E=Aeit，A为一常数，也可以是复数。考虑到在出射面设入射面x=2L上各点相位的改变和调制，在x平面内离出射面很远一点处的衍射光叠加结果为X=2012Ec Afel(ot-knb)oysinoldy.02写成等式Dleeiasin(ky-te-koysindyE=Ceiat(6-3-6)6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。利用e与贝塞耳函数有关的恒等式eiasino = J. (α)e'mJm（α）为（第一类）m阶贝塞耳函数，将（6-3-6）式展开并积分得E =Cb Z J. (αb)e(o-m)μ sin[b(mk, -k, sin 0)/2](6-3-7)b(mk-k,sinの)/2m=-上式中与第m级衍射有关的项为E. = Egei(o-mQ)t(6-3-8)sin[b(mk, -k, sin0)/2E,=CbJ. (&p)(6-3-9)b(mk,-k,sino)/2sinx因为函数在x=0时取极大值，因此衍射极大的方位角m由下式决定：+sin0.=m=mg(6-3-10)kg式中，2为真空中光的波长，入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个光栅常数为超声波长的光栅。由（6-3-8）式可知，第m级衍射光的频率の.为(6-3-11)0.=0-mo,可见，衍射光仍然是单色光，但发生了多普勒频移。由于超声波的频率为107Hz左右
设入射面 x= 2 L 上的光振动为 it E = Ae ，A 为一常数，也可以是复数。考虑到在出射面 x=- 2 L 上各点相位的改变和调制，在 xy 平面内离出射面很远一点处的衍射光叠加结果为 0 0 b 2 i ( t n y,t - ysin b 2 e dy k L k E A − − ( ) ) 写成等式 s s 0 b 2 i t i sin y t ysin b 2 = e e e dy k k E C − − （ - ） （6-3-6） 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。利用 e 与贝塞耳函数有关的恒等式 ( ) i im sin m m e J e =− = Jm（α）为（第一类）m 阶贝塞耳函数，将（6-3-6）式展开并积分得 ( ) ( ) ( ) ( ) sin m sin / 2 m sin / 2 s i m t s 0 m m s 0 b k k E Cb J e b k k − =− − = − （6-3-7） 上式中与第 m 级衍射有关的项为 s ( m )t 0 i E E e m − = （6-3-8） ( ) ( ) ( ) 0 m sin m sin / 2 = bJ m sin / 2 s 0 s 0 b k k E C b k k − − （6-3-9） 因为函数 sin x x 在 x=0 时取极大值，因此衍射极大的方位角 m 由下式决定： 0 m s sin = m =m s 0 k k （6-3-10） 式中， 0 为真空中光的波长， s 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个光栅常数为超声波长的光栅。由（6-3-8）式可知， 第 m 级衍射光的频率 m 为 m s = m− （6-3-11） 可见，衍射光仍然是单色光，但发生了多普勒频移。由于超声波的频率为 107Hz 左右
而光波的频率高达1014Hz，即の>>，这种频移是很小的，可以忽略不计。第m级衍射极大的强度1，可用（6-3-8）式模数平方表示：(6-3-12)Im=E.E, =C2bJ(&b)=IoJm(8D)式中，Eo*为Eo的共轭复数，lo=Cb。第m级衍射光的衍射效率n㎡定义为该级衍射光的强度与入射光强度之比。由（6-3-12)式可知，nm正比于Jm2（0）。当m为整数时，J.m（α）=（-1）mJm（α)。由（6-3-10）式和（6-3-12）式表明，各级衍射光相对于零级对称分布。由（6-3-10）可知，各级衍射极大的方位角θ由下式决定1(6-3-13)m~sinem=m1式中m表示衍射级次，m=0、±1、±2。由（6-3-12）可知，各级衍射光的衍射强度Im正比于Jm2（）。综述以上分析，喇曼-奈斯声光衍射的结果：光波在声场外分成一组离散型的衍射光他们分别对应于确定的衍射角㎡（即传播方向）和衍射强度Im。由于Jm2（α）=Jm2（α），故同级次衍射光的强度相等，这是喇曼-奈斯衍射的主要特征。无吸收时衍射各级极值光强之和应等于入射光强，即光功率是守恒的。对于一级衍射光有n1=/2（8d），当80=1.84rad时，m1取最大值n1max=33.9%，即喇曼-奈斯衍射效率最大也只能是33.9%，入射光的利用率很低。在激光调制、激光偏转系列中一般不用喇曼-奈斯声光器件，但在调Q激光器和锁模激光器中，声光器件只是用作损耗器件，通过控制声光器件是否产生衍射光来达到控制Q开关打开是否与否的目的，并不是特定使用某级衍射光，因此可以使用喇曼-奈斯器件。3.布拉格衍射当声波频率较高，声光互作用长度L满足条件L>2L（Lo为声光衍射的特征长度，定登m义式表示为L。~2。为真空中光的波长），而且光束相对于超声波波面以某一，角度斜入射时，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
而光波的频率高达 1014Hz，即 >> s ，这种频移是很小的，可以忽略不计。 第 m 级衍射极大的强度 m I 可用（6-3-8）式模数平方表示： * 2 2 2 2 0 0 0 m ( )= ( ) m m I E E C b J I J = = （6-3-12） 式中，E0*为 E0 的共轭复数，I0=C 2b 2。 第 m 级衍射光的衍射效率 m 定义为该级衍射光的强度与入射光强度之比。由（6-3-12） 式可知， m 正比于 Jm 2（δΦ）。当 m 为整数时，J-m（α）=（-1）mJm（α）。由（6-3-10）式 和（6-3-12）式表明，各级衍射光相对于零级对称分布。 由（6-3-10）可知，各级衍射极大的方位角 m 由下式决定 m m sin =m s （6-3-13） 式中 m 表示衍射级次，m=0、±1、±2.。由（6-3-12）可知，各级衍射光的衍射强度 m I 正比于 Jm 2（δΦ）。 综述以上分析，喇曼-奈斯声光衍射的结果：光波在声场外分成一组离散型的衍射光， 他们分别对应于确定的衍射角 m （即传播方向）和衍射强度 m I 。由于 J-m 2（α）=Jm 2（α）， 故同级次衍射光的强度相等，这是喇曼-奈斯衍射的主要特征。无吸收时衍射各级极值光强 之和应等于入射光强，即光功率是守恒的。 对于一级衍射光有 η1=J1 2（δΦ），当 δΦ=1.84rad 时，η1 取最大值 η1max=33.9%，即喇曼- 奈斯衍射效率最大也只能是 33.9%，入射光的利用率很低。在激光调制、激光偏转系列中一 般不用喇曼-奈斯声光器件，但在调 Q 激光器和锁模激光器中，声光器件只是用作损耗器件， 通过控制声光器件是否产生衍射光来达到控制 Q 开关打开是否与否的目的，并不是特定使 用某级衍射光，因此可以使用喇曼-奈斯器件。 3．布拉格衍射 当声波频率较高，声光互作用长度 L 满足条件 L L ＞ 0 2 （L0 为声光衍射的特征长度，定 义式表示为 2 2 0 2 0 s nv L f = ， 0 为真空中光的波长），而且光束相对于超声波波面以某一 角度斜入射时，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
波波面间满足一定条件时，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。在理想情况下除了0级之外，只出现1级或者-1级衍射，如图6-3-3所示。这种衍射与晶体对X光的布拉格衍射很类似，故称为布拉格衍射。能产生这种衍射的光束入射角称为布拉格角可以证明，布拉格角满足元(6-3-14)sinig2元式（6-3-14）称为布拉格条件，入为声波介质中光的波长。因为布拉格角一般都很x小，故衍射光相对于入射光的在晶体外的偏转角Φ为1级衍射光入射光0+02=f0Φ=2ig~(6-3-15)元V20式中，vs为超声波波速，fs为超声波频率，其它量的意义同前。从式（6-3-15）0级可以看出，偏转角中随超声频率而变，改变驱动电信号的频率，就可以控制衍射光的偏转方向。这就是声光偏转的原理。在布拉格衍射的情况下，一级衍射光图6-3-2布拉格衍射的衍射效率为M,LPn=sin(6-3-16)2H2V式中，Ps为超声波功率：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常数，称为声光优值；定义为M,="P，，p为介质密度，P为光弹系数。在布拉格衍射pv,下，衍射光的频率也由（6-3-11）式决定。由式（6-3-16）可以得出以下结论：(1)为了在一定的声功率Ps条件下使衍射效率尽量大，要求选择声光优值M2大的晶体，尽量将换能器制作成长而窄的形状，并选择短波长激光。M,LP,I1元元=100%。但是如果继续加大(2)当声功率足够大，使得时，21oV2H1
波波面间满足一定条件时，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。在 理想情况下除了 0 级之外，只出现 1 级或者-1 级衍射，如图 6-3-3 所示。这种衍射与晶体对 X 光的布拉格衍射很类似，故称为布拉格衍射。能产生这种衍射的光束入射角称为布拉格角 可以证明，布拉格角满足 s sin i = 2 B （6-3-14） 式（6-3-14）称为布拉格条件，λ 为 介质中光的波长。因为布拉格角一般都很 小，故衍射光相对于入射光的在晶体外的 偏转角φ为 0 2 B s s s i f v = = （6-3-15） 式中，νS 为超声波波速，fS 为超声波 频率，其它量的意义同前。从式（6-3-15） 可以看出，偏转角φ随超声频率而变，改 变驱动电信号的频率，就可以控制衍射光 的偏转方向。这就是声光偏转的原理。 在布拉格衍射的情况下，一级衍射光 的衍射效率为 2 2 s 0 =sin 2 M LP H （6-3-16） 式中，PS 为超声波功率；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 的常数，称为声光优值；定义为 6 2 2 3 s n = v P M ，ρ 为介质密度，P 为光弹系数。在布拉格衍射 下，衍射光的频率也由（6-3-11）式决定。 由式（6-3-16）可以得出以下结论： （1） 为了在一定的声功率 PS 条件下使衍射效率尽量大，要求选择声光优值 M2 大的 晶体，尽量将换能器制作成长而窄的形状，并选择短波长激光。 （2） 当声功率足够大，使得 2 2 2 0 = H M LPs 时， i 1 I I =100％。但是如果继续加大 声波 1 级 图 6-3-2 布拉格衍射 L s y 衍射光 i+s 入射光 i 2 x 0 级
声功率，衍射效率不但不会继续增大，反而会减小，这在实际工作中是必须避免的。（3）衍射效率随声功率而变化，因此通过控制加在换能器上驱动电信号的功率，可以达到控制衍射光强度的目的，这便是声光调制的原理。特别是，当弱声光互作用时，一般是在n<50%的条件下，利用泰勒近似计算sinx～x，公式（6-3-16）可以简化为TMAP7=2元'H衍射效率与声功率成正比，也就是衍射光强与驱动电信号功率成正比，这可以保证信号不失真。由（6-3-15）式和（6-3-16）式可看出，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物理基础。从（6-3-10）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等。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-奈斯衍射和布拉格衍射，而且各衍射光的方位角和超声频率的关系与超声行波时的相同。表6-3-1喇曼-奈斯衍射和布拉格衍射的区别类型布拉格衍射喇曼-奈斯衍射参数短长声光互作用长度低高超声波频率入射方向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“光栅”类型声光晶体相当于一个“平面光栅”声光晶体相当于一个“立体光栅”衍射效率低（最大33.9%）高（最大100%）4.声光器件吸声材料声光器件的结构示意图如图6-3-4所示。它由压电换能器、声光介质和吸声材声波声光介质前进料组成。声光器件有两个重要的参量：一光波前进方向方是中心频率；二是带宽。定义声光衍射效向压电换能器率从最大值下降一半时的频率宽度为声图6-3-3声光器件结构示意图光互作用3dB带宽或简称为布拉格带宽
声功率，衍射效率不但不会继续增大，反而会减小，这在实际工作中是必须避免的。 （3） 衍射效率随声功率而变化，因此通过控制加在换能器上驱动电信号的功率，可 以达到控制衍射光强度的目的，这便是声光调制的原理。特别是，当弱声光互作用时，一般 是在 η＜50%的条件下，利用泰勒近似计算 sin x～x，公式（6-3-16）可以简化为 2 2 2 = 2 S M L P H 衍射效率与声功率成正比，也就是衍射光强与驱动电信号功率成正比，这可以保证信号 不失真。 由（6-3-15）式和（6-3-16）式可看出，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物理基础。从（6-3-10） 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等。 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-奈 斯衍射和布拉格衍射，而且各衍射光的方位角和超声频率的关系与超声行波时的相同。 表 6-3-1 喇曼-奈斯衍射和布拉格衍射的区别 类型 参数 喇曼-奈斯衍射 布拉格衍射 声光互作用长度 短 长 超声波频率 低 高 入射方向 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 “光栅”类型 声光晶体相当于一个“平面光栅” 声光晶体相当于一个“立体光栅” 衍射效率 低（最大 33.9%） 高（最大 100%） 4．声光器件 声光器件的结构示意图如图 6-3-4 所 示。它由压电换能器、声光介质和吸声材 料组成。声光器件有两个重要的参量：一 是中心频率；二是带宽。定义声光衍射效 率从最大值下降一半时的频率宽度为声 光互作用 3dB 带宽或简称为布拉格带宽。 图 6-3-3 声光器件结构示意图 吸声材料 声光介质 压电换能器 声 波 前 进 方 向 光波前进方向
声光器件有两个重要的参数：中心频率及带宽。顶电极层pi,v，li压电换能器又称超声发生器，由锯酸锂晶压电晶片p，y，l，Co体或其它压电材料运用反压电效应制成。它的底电极p2，V2，12作用是将电功率换成声功率，并在声光介质中键合层p3，V3，13底电极p4V4，1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声光晶体Pm，Vm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，换能器的阻抗与信图6-3-5声光器件的镀膜结构号源内阻应当匹配。压电现象是指，当晶体受到压力作用时，会出现电荷或产生电场的现象；反压电效应则是在晶体两端加电压，会产生应力或应变的现象。并不是所有的晶体都具有压电、反压电性质，只有结构上无对称中心的晶体才可能具有这些性质。利用压电晶体的反压电效应可以实现电能与机械能之间的相互转换，这是声光器件中非常重要的压电换能器的基本工作原理。如果加在压电晶片上下晶面的电压是交变电压，则晶片就会发生方向随时改变的应变，也就是超声波，将超声波引入声光晶体中，就可以与入射激光实现声光互作用，从而通过控制加在换能器上的交流电的参数来控制激光的方向、强度等参数。本实验用到的声光器件中采用的锯酸锂（化学分子式为LiNbO3）晶体具有非常好的压电性能，是制作声光器件换能器的最佳晶体。常见的声光晶体有钼酸铅（化学分子式为PbMoO4，缩写为PM）和氧化碲（化学分子式为TeO2），这两种晶体属于单轴声光晶体，具有较大的弹光系数及高的折射率，因而有很高的品质因子，是应用最广泛的声光晶体。声光器件中使用的声光晶体为氧化碲，透明区域为0.35um～5um，在整个可见光范围内全部透明，属于四方晶系的422晶类。表6-3-2中列出了氧化碲晶体的主折射率，其声光优值见表6-3-3。表6-3-2氧化碲主折射率1. 064波长/um0.63280. 51450.48800.44162.20682. 25972. 31112.32992.3759ne2.35072. 41192.47322.49582. 5494
声光器件有两个重要的参数：中心频率及带宽。 压电换能器又称超声发生器，由铌酸锂晶 体或其它压电材料运用反压电效应制成。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。压电现象是指，当晶体受 到压力作用时，会出现电荷或产生电场的现象；反压电效应则是在晶体两端加电压，会产生 应力或应变的现象。并不是所有的晶体都具有压电、反压电性质，只有结构上无对称中心的 晶体才可能具有这些性质。利用压电晶体的反压电效应可以实现电能与机械能之间的相互转 换，这是声光器件中非常重要的压电换能器的基本工作原理。如果加在压电晶片上下晶面的 电压是交变电压，则晶片就会发生方向随时改变的应变，也就是超声波，将超声波引入声光 晶体中，就可以与入射激光实现声光互作用，从而通过控制加在换能器上的交流电的参数来 控制激光的方向、强度等参数。本实验用到的声光器件中采用的铌酸锂（化学分子式为 LiNbO3）晶体具有非常好的压电性能，是制作声光器件换能器的最佳晶体。 常见的声光晶体有钼酸铅（化学分子式为 PbMoO4，缩写为 PM）和氧化碲（化学分子 式为 TeO2），这两种晶体属于单轴声光晶体，具有较大的弹光系数及高的折射率，因而有很 高的品质因子，是应用最广泛的声光晶体。声光器件中使用的声光晶体为氧化碲，透明区域 为 0.35um～5um，在整个可见光范围内全部透明，属于四方晶系的 422 晶类。表 6-3-2 中列 出了氧化碲晶体的主折射率，其声光优值见表 6-3-3。 表 6-3-2 氧化碲主折射率 波长/um 1.064 0.6328 0.5145 0.4880 0.4416 no 2.2068 2.2597 2.3111 2.3299 2.3759 ne 2.3507 2.4119 2.4732 2.4958 2.5494 顶电极层 ρ1，v1，l1 压电晶片 ρ，v，l，C0 底电极ρ2，v2，l2 键合层ρ3，v3，l3 底电极ρ4，v4，l4 声光晶体ρm，vm 图 6-3-5 声光器件的镀膜结构
表6-3-3氧化碲正常声光效应的声光优值（对0.6328um激光）声速V入射光折射率衍射光折射有效声光声光互作用工作模式声光优值M声(X10m/s)率ni系数p(X10*"s/kg)光n4.20334.70n=2. 26n.=2. 26Pun=0. 34正常：沿z纵波4. 203I=2. 412Pas=0. 2425. 6en.=2. 412吸声材料的作用是吸收通过介质传播到端面的超声波以形成超声行波。将介质的端面磨成斜面或成牛角状，也可达到吸声的作用。在声光器件的设计中，尤其是偏转器的设计中，带宽是一个非常重要的问题。声光期间中存在两种转换，每一种带宽都有相应的带宽问题。首先，压电换能器把电振荡转换成超声振荡，形成超声波，能够在多大频率范围内有效地将电功率转换成超声功率，称为换能器带宽。其次，在声光介质中通过声光互作用，超声波将引起入射光的布拉格衍射产生衍射光，在实际工作时声光器件往往是入射角保持不变，超声频率不同时会引起不同程度的失配，能够在多大频率范围内有效地完成布拉格衍射称为声光互作用带宽，或布拉格带宽。换能器带宽和布拉格带宽形成了声光器件的综合带宽。定义布拉格损耗BL的概念，它是超声功率利用率的分贝表示。换能器损耗TL表示在驱动电源所提供的匹配电功率中有多少转换成声光互作用中的超声功率。5.CCD光电转换一个完整的CCD器件由光敏单元、转移栅、移位寄存器及一些辅助输入、输出电路组成。CCD工作时，在设定的积分时间内由光敏单元对光信号进行取样，将光的强弱转换为各光敏单元的电荷多少。取样结束后各光敏元电荷由转移栅转移到移位寄存器的相应单元中。移位寄存器在驱动时钟的作用下，将信号电荷顺次转移到输出端。将输出信号接到计算机、示波器、图象显示器或其它信号存储、处理设备中，就可对信号再现或进行存储处理。由于CCD光敏元可做得很小（约10um），所以它的图象分辨率很高。【实验仪器】仪器主要是由半导体激光器及相应的激光电源、声光器件、功率信号源、准直屏、线阵CCD光电转换器、示波器（自备）及导轨等部件构成，结构示意图见图6-3-6
表 6-3-3 氧化碲正常声光效应的声光优值(对 0.6328um 激光) 声光互作用工作模式 声速 V （×103 m/s） 入射光折射率 ni 衍射光折射 率 nd 有效声光 系数 p 声光优值 M2 （×10-15 s 3 声 光 /kg） 正常：沿 z 纵波 o 4.203 no=2.26 no=2.26 p13=0.34 34.7 e 4.203 ne=2.412 ne=2.412 P33=0.24 25.6 吸声材料的作用是吸收通过介质传播到端面的超声波以形成超声行波。将介质的端面磨 成斜面或成牛角状，也可达到吸声的作用。 在声光器件的设计中，尤其是偏转器的设计中，带宽是一个非常重要的问题。声光期间 中存在两种转换，每一种带宽都有相应的带宽问题。首先，压电换能器把电振荡转换成超声 振荡，形成超声波，能够在多大频率范围内有效地将电功率转换成超声功率，称为换能器带 宽。其次，在声光介质中通过声光互作用，超声波将引起入射光的布拉格衍射产生衍射光， 在实际工作时声光器件往往是入射角保持不变，超声频率不同时会引起不同程度的失配，能 够在多大频率范围内有效地完成布拉格衍射称为声光互作用带宽，或布拉格带宽。换能器带 宽和布拉格带宽形成了声光器件的综合带宽。定义布拉格损耗 BL 的概念，它是超声功率利 用率的分贝表示。换能器损耗 TL 表示在驱动电源所提供的匹配电功率中有多少转换成声光 互作用中的超声功率。 5．CCD 光电转换 一个完整的 CCD 器件由光敏单元、转移栅、移位寄存器及一些辅助输入、输出电路组 成。CCD 工作时，在设定的积分时间内由光敏单元对光信号进行取样，将光的强弱转换为 各光敏单元的电荷多少。取样结束后各光敏元电荷由转移栅转移到移位寄存器的相应单元中。 移位寄存器在驱动时钟的作用下，将信号电荷顺次转移到输出端。将输出信号接到计算机、 示波器、图象显示器或其它信号存储、处理设备中，就可对信号再现或进行存储处理。由于 CCD 光敏元可做得很小（约 10um），所以它的图象分辨率很高。 【实验仪器】 仪器主要是由半导体激光器及相应的激光电源、声光器件、功率信号源、准直屏、线阵 CCD 光电转换器、示波器（自备）及导轨等部件构成，结构示意图见图 6-3-6
CCD接收装置声光器件半导体激光器电阳精密转角平台导轨超声波信号源示波器脉冲方波产生器图6-3-6晶体声光效应结构示意图（1）半导体激光器及电源：激光器置于二维调节架上，其输出中心波长为650nm，光斑大小可调，激光输出端固定0.8mm孔径光；激光电源为可调直流源，电流调节范围为0~16mA。（2）声光器件：采用声光性能好的声光晶体--氧化碲（Te02）和压电晶体---锯酸锂（LiNb0s）高真空钢压焊接而成：工作波长650nm；中心频率100MHz，3dB带宽50MHz有效孔径1mm；衍射效率>85%，驱动功率≤1W。声光器件置于精密转角平台上，其调节精度<0.5mrad/转，用于精细地调节光源的对晶体的相对入射角。（3）功率信号源：为声光器件提供一定范围的频率和功率信号，并自带频率和功率显示功能。在“等幅”条件下输出的信号频率范围为60～130MHz，分辨率为0.1MHz；输出功率0～1000mW可调，分辨率1mW。在“调幅”位置，输出一个TTL电平的数字信号，就可以对声功率进行幅度调制，频率范围0～20KHz。（4）准直屏：用于实验前激光俯仰等维度的调节。（5）线阵CCD光电转换器：采用线阵CCD线阵光电传感器，有效感光长度34mm，空间分辨率14um。（6）通用双踪示波器（需另备）：20MHz。【实验内容和步骤】由于声光效应实验仪采用的中心频率高达100MHz的声光器件，而喇曼-奈斯衍射发生的条件是声频较低、声波与光波作用长度比较小的情况，因此，本实验主要围绕布拉格衍射展开，对于喇曼-奈斯衍射仅作一般研究。在观察及测量以前，整个光学系统应该共轴1.实验准备：光略共轴调节，调节半导体激光器（1）将半导体激光器（未加光阑）固定于导轨一端（刻线参考位置100mm），适当调节半导体激光器高度（勿使其处于最高或最低位置，避免后面的部件无高度调节余地），激
（1）半导体激光器及电源：激光器置于二维调节架上，其输出中心波长为 650nm，光 斑大小可调，激光输出端固定 0.8mm 孔径光阑；激光电源为可调直流源，电流调节范围为 0~16mA。 （2）声光器件：采用声光性能好的声光晶体-氧化碲（TeO2）和压电晶体-铌酸锂 （LiNbO3）高真空铟压焊接而成；工作波长 650 nm；中心频率 100 MHz，3 dB 带宽 50 MHz； 有效孔径 1 mm；衍射效率＞85%，驱动功率≤1 W。声光器件置于精密转角平台上，其调节 精度＜0.5 mrad/转，用于精细地调节光源的对晶体的相对入射角。 （3）功率信号源：为声光器件提供一定范围的频率和功率信号，并自带频率和功率显 示功能。在“等幅”条件下输出的信号频率范围为 60～130 MHz，分辨率为 0.1 MHz；输出 功率 0～1000 mW 可调，分辨率 1mW。在“调幅”位置，输出一个 TTL 电平的数字信号，就 可以对声功率进行幅度调制，频率范围 0～20 KHz。 （4）准直屏：用于实验前激光俯仰等维度的调节。 （5）线阵 CCD 光电转换器：采用线阵 CCD 线阵光电传感器，有效感光长度 34mm，空间 分辨率 14um。 （6）通用双踪示波器（需另备）：20 MHz。 【实验内容和步骤】 由于声光效应实验仪采用的中心频率高达 100MHz 的声光器件，而喇曼-奈斯衍射发生 的条件是声频较低、声波与光波作用长度比较小的情况，因此，本实验主要围绕布拉格衍射 展开，对于喇曼-奈斯衍射仅作一般研究。在观察及测量以前，整个光学系统应该共轴。 1. 实验准备：光路共轴调节，调节半导体激光器 （1）将半导体激光器（未加光阑）固定于导轨一端（刻线参考位置 100mm），适当调 节半导体激光器高度（勿使其处于最高或最低位置，避免后面的部件无高度调节余地），激 图 6-3-6 晶体声光效应结构示意图