晶体电光声光磁光效应实验实验讲义

实验2 晶体的声光效应实验

2.1 引言

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。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。

2.2 实验目的

1. 了解声光效应的原理；

2. 了解拉曼－奈斯衍射(Raman-Nath Diffraction)和布拉格衍射(Bragg Diffraction)的实验条件和特点；

3. 测量声光偏转和声光调制曲线；

4. 完成声光通信实验光路的安装及调试。

2.3 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。正常声光效应可用拉曼－奈斯的光栅假设图2-1 声光衍射 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ws，波长为 s波矢为ks。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 ，波矢

晶体电光声光磁光效应实验实验讲义

为k。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。

由于应变而引起的介质的折射率的变化由下式决定

(1)PS (2-1) n2

式中，n为介质折射率，S为应变，P为光弹系数。通常，P和S为二阶张量。当声波在各项同性介质中传播时，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 S0sin(wst ksy) (2-2)

当应变较小时，折射率作为y和t的函数可写作

n(y,t) n0 nsin(wst ksy) (2-3)

式中，n0为无超声波时的介质的折射率， n为声波折射率变化的幅值，由(2-1)式可求出

1 n n3PS0 2

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

k0n(y,t)L

k0n0L k0 nLsin(wst ksy) (2-4)

0 sin(wst ksy)

式中，k0为入射光在真空中的波矢的大小，右边第一项 0为不存在超声波时光波在介质前后两点的相位差，第二项为超声波引起的附加相位差（相位调制）， 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振面变为周期变化的皱折波面，从而改变出射光的传播特性，使光产生衍射。

L 设入射面上x 的光振动为Ei Aeit，A为常数，也可以是复数。考虑到在出射2

L面x 上各点相位的改变和调制，在xy平面内离出射面很远一点的衍射光叠加结果为 2

E A ei[(wt k0n(y,t) k0ysin ]dy

写成等式为

b

iwt2i sin(ksy wst) ik0ysin

b 2b2b 2E Ce eedy (2-5)

式中，b为光束宽度， 为衍射角，C为与A有关的常数，为了简单可取为实数。利用与贝塞耳函数有关的恒等式