光电子技术实验讲义
声波入射光ωω1+ω衍射光2θλ非衍射光 图1 布拉格声光衍射 下面从波的干涉加强条件来推导布拉格方程。为此，可把声波通过
的介质近似看作许多相距λs的部分反射、部分透射的镜面。对于行波场，这些镜面将以速度νs沿x方向移动（因为ωm<<ωc所以在某一瞬间，超声场可近似看成是静止的，因而对衍射光的分布没影响）。对驻波超声场则完全是不动的。当平面波以θi入射至声波场，在B、C、E各点处部分反射，产生衍射光。各衍射光相干增强的条件是它们之间的光程差应为其波长的整数倍，或者说必须同相位。图2表示在同一镜面上的衍射情况，入射光在B、C点的反射光同相位的条件必须使光程差AC-BD等于光波波长的整数倍，即
x(cos?i?cos?d)?m?,1 )n (m?0? (1)
图2 入射光束在镜面上发生衍射
要使声波面上所有点同时满足这以条件，只有使
?i??d (2)
即入射角等于衍射角才能实现。对于相距λs的两个不同的镜面上的衍射情况，由上下面反射的反射光具有同相位的条件，其光程差FE+EG必须等于光波波长的整数倍，即
??s(co?si?co?s?)dn (3)
考虑到?i??d，所以
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2?si?nB?sin?B??n
或
???fs2n?s2nvs (4)
式中，θi=θd=θB，θB称为布拉格角。可见，只有入射角等于布拉格角θB时，在声波面上的光波才具有同相位，满足相干加强的条件，得到衍射极值，上式称为布拉格方程。
由于发生布拉格声光衍射时，声光相互作用长度较大，属于体光 栅情况。理论分析表明，在声波场的作用下入射光和衍射光之间存在 如下关系
??Ei(r)?Ei(0)cos(kijr)?''E(r)??iE(0)sin(kr)?jiij ? (5)
式中Ei和Ej分别为入射和衍射光场，这为我们描述两个光场的能量转换效率提供了方便。
定义：在作用距离L处衍射光强和入射光强之比为声光衍射效率，即
??Ij(L)Ii(0)?sin2(kijL) (6)
?1?由于??2?nij???pijklSkl??2?nij，
3?n?n3??pijklSkl＝?(?nij)。因此，(6)式可写为 注意到kij?2?????????sin2?(?nij)L??sin2()2 (7) ???式中Δф是传播距离L后位相改变量。引入有效弹光系数pe和有效应变Se，
?nij?13npeSe2 (8)
其中有效应变Se同声波场强度Is的关系是
?2IsSe????v?s式中
???? (9)
12vs是声速，?是介质密度。于是(2.29)式写成
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1?622?1??2??npe??2?2?2??sinL???v3????sin??L?MIs?2???s???????? (10)
或
??I12?s??sin?Ii?2??LM2Ps?H? (11)
式中，M2是声光介质的物理参数组合，是由介质本身性质决定的量，称为声光材料的品质因数(或声光优质指标)，它是选择声光介质的主要指标之一。
从(4)式可见：
(a)若在超声功率Ps一定的情况下，欲使衍射光强尽量大，则要求选择M2大的材料，并且，把换能器做成长面较窄（即L大H小）的形式；
(b)如果超声功率足够大，使
?2?达到π/2时，＝100%
LM2PsH
(c)当Ps改变时，I1/I0也随之改变，因而通过控制Ps(即控制加在电声换能器上的电功率)就可以达到控制衍射光强的目的，实现声光调制。
四、实验步骤
1、光路的调节
(1) 在光具座的滑座上放置好激光器和光电接收器，并安装好声光调制器的载物台； (2) 按系统连接方法将激光器、声光调制器、光电接收器等组件连接到声光调制电源箱； (3) 光路准直：打开电源开关，接通激光电源。用光阑来调整光路，先将半导体激光器放置在导轨零点处锁定，把光阑拉到激光器附近，再由近及远，观察激光光斑打在光阑上的位置，调整激光器调整架的前后两个螺丝，使激光光斑打在由近及远光阑上的位置保持一致，反复调节，使得一定距离内激光束是平行光；
(4) 将声光调制器的通光孔置于载物平台的中心位置，调整好高度，使得激光束刚好通过通光孔；
(5) 调整光电探测器的高度，使得激光束落在光电传感器中心。 2、观察声光调制的衍射现象
（1）调节激光束的亮度，使在相屏中心有明晰的光点呈现，此即为声光调制的0级光斑；
（2）打开声光调制电压，此时以80MHz为中心频率的超声波开始对声光晶体进行调制；
（3）微调载物平台上声光调制器的转向，以改变声光调制器的光束入射角，即可出现
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因声光调制而出现的衍射光斑；
（4）仔细调节光束对声光调制器的角度，当+1级（或者－1级）衍射光最强时，声光调制器即运转在布拉格条件下的偏转状态。
注：布拉格衍射一级衍射达到极值的条件是：1)控制电压为一特定的值；2)入射激光必须以特定的角度布拉格角α入射。
3、观察交流信号调制特性
打开信号发生器，输入交流的正弦波信号。加法器把直流偏压和信号发生器的交流电压叠加在一起输出到线性声光调制器上，在示波器上可看到被调制的半导体激光的正弦波，测出示波器上信号波的相对幅度。改变直流偏压的大小或增加信号发生器的信号强度，观察输出波形的调制特性。
不失真波形 下失真波形 上失真波形 4、声光调制与光通讯实验演示
在驱动源输入端加入外调制信号（如音频信号、文字和图像等），则衍射光强将随次信号变化，从而达到控制激光输出特性的目的，实现模拟光通信和图像处理。
5、测量声光调制器的衍射效率
定义：在作用距离L处衍射光强和入射光强之比为声光衍射效率。 衍射效率??Idmax，其中Idmax为最大衍射光强，I0为0级光强。 I06、计算声光调制偏转角
定义1级光和0级光间的距离为d，声光调制器到接收孔之间的距离为L,由于L〉〉d，即可求出声光调制的偏转角： ?d?
7、测量超声波的波速
将超声波频率F，偏转角?d与激光波长代入Vs?将求出的?d一起带入上式即可求得。
d LF??d，其中F=80MHz，??650nm，
六、注意事项
1、调节过程中必须避免激光直射人眼，以免对眼睛造成危害。 2、供电电源应提供保护地线，示波器的地线需与系统良好连接。
3、为防止强激光束长时间照射而导致光敏管疲劳或损坏，调节使用后需要随即用塑盖将光电接收孔盖好。
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七、思考题
1、上失真和下失真出现的原因是什么？
2、声光调制偏转角测量实验可以如何进行改进以提高测量精度？
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