声光效应及声光模拟通信实验教案.doc

课时安排：3 学时 教学课型： 实验课 题目： 声光效应及声光模拟通信实验 教学目的要求（分掌握、熟悉、了解三个层次）： 通过实验，让学生达到以下目的： 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.测量声光偏转和声光调制曲线。 4.通过对声光器件衍射效率和带宽等的测量，加深对其概念的理解。 教学内容（注明：* 重点 # 难点 ？疑点）： 一、实验所用仪器： 1. 100MHz声光器件 2. 半导体激光器 3. 100MHz功率信号源 4. LM601 CCD光强分布测量仪 5. 光具座及立杆 6. 示波器 7. 模拟通信发送器 8. 模拟通信接收器 9. 光电池盒 二、实验原理部分： 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，波长为，波矢为。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。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) 1式中，为介质折射率，为应变，为光弹系数。通常，和为二阶张量。当声波在各向同性介质中传播时和可作为标量处理，如前所述，应变也以行波形式传播，所以可写成 (2) 当应变较小时，折射率作为y和t的函数可写作 (3) 式中，为无超声波时的介质折射率，为声波折射率变化的幅值，由(1)式可求出 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 (4) 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），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。 设入射面上 的光振动为Ei =Aei t，A为一常数，也可以是复数。考虑到在出射面 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 写成一等式时， (5) 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。利用一与贝塞耳函数有关的恒等式 式中为（第一类）m阶贝塞耳函数，将（5）式展开并积分得 (6) 上式中与第m级衍射有关的项为 (7) (8) 因为函数sinχ/χ在χ= 0 时取极大值，因此有衍射极大的方位角θm由下式决定：