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——声光效应实验
大学物理实验报告

时间：2014年7月7日

课题解析：
声光效应：超声波通过介质时会造成介质的局部压缩和伸长而产生弹性应变，该应变随时间和空间作周期性变化，使介质出现疏密相间的现象，如同一个相位光栅。当光通过这一受到超声波扰动的介质时就会发生衍射现象，这种现象称为声光效应。
实验目的：
1、 观察超声驻波场中光的衍射现象
2、观察超声驻波场的像，测量声波在晶体中的速度
实验器材：
仪器与用具光学实验导轨（1m）、633nm半导体激光器、声光晶体、光信号放大器、声光效应实验电源（驻波声光调制器）、OPT-1A功率指示计以及白屏、光拦探头、一维位移架、MP3及数据线、小孔屏、光电探头、透镜（f=100mm）、光具座、传输线、电源线
主机箱面板功能：
主机箱“声光效应试验电源”主要功能为声光晶体驱动电压的输出与输出电压的指示，频率调节，被调制信号的接受与放大和还原，各面板元器件作用于功能如下：

1. 表头：3位半数字表头，用于指示声光晶体驱动电压的大小，该显示数值可通过电压旋钮进行调节。　
2. 电压旋钮：调整范围0-12V，实验一般调到最大。
3.频率旋钮：调整范围9-11MHz，调整至适当频率使衍射效果最佳，频率值可在示波器或频率上读出（均需自备）。
4.驱动输出：Q9插座，与声光晶体相连接。
5.波形插座：Q9插座，为输出驱动波形，一般与示波器1通道连接
6.音频插座：3.5mm耳机插座，用于输入音频信号。
实验原理：
1. 声波是一种弹性波（纵向应力波），在介质中传播时，它使介质产生相应的弹性形变，从而激起介质中各介质点沿声波的传播方向振动，引起介质的密度呈疏密相间的交替变化，因此，介质的折射率也随着发生相应的周期性变化。超声场作用的这部分如同一个光学的“相位光栅”，该光栅间距（光栅常数）等于声波波长λ。当光波通过此介质时，就会产生光的衍射。其衍射光的强度、频率、方向等都随着超声场的变化而变化。声波在介质中传播分为行波和驻波两种形式。图1所示为某一瞬间超声行波的情况，其中深色部分表示介质受到压缩、密度增大，相应的折射率也增大，而白色部分表示介质密度减少，对应的折射率也减少。在行波声场作用下，介质折射率的增大或减小交替变化，并以声速v（一般为10^3m/s量级）向前推进。由于声速仅为光速的数十万分之一，所以对光波来说，运动的“声光栅”可以看作是静止的。

2. 晶体声光效应实验：利用石英晶体/ZF6驻波声光调制器，它由两部分构成，一是声光晶体：声光晶体由压电换能器（XO0切石英晶体）和声光互作用介质（ZF6）组成。为了在声光介质中形成驻波，沿声传播方向上声光介质的两个面要严格平行，平行度要优于λ/5。压电换能器与声光介质焊接成一体。二是驱动源：驱动源是一个正弦波高频功率信号发生器。驱动源提供的正弦高频功率信号（见图3a），通过匹配网络加到压电换能器上，换能器发出的超声波沿x正方向传播， 到达对面后，被全反射，反射波沿x负方向传播，声光介质中如同存在两列频率相同、振幅相等且沿相反方向传播的超声波。

图3b所示就是这种波在十个彼此相等的瞬时间隔时的情况。沿正x方向传播的发射波用虚线表示；沿负x方向传播的反射波用实线表示；它们的叠加点划线表示。不难看出，叠加波具有相同的波长，只是在空间不产生位移。这种由两个彼此相对的行波组成的振动称为驻波。在驻波中，彼此相距λ/2的各点完全不振动，这些点称为波节。位于两波节中间的点是波腹，这些点上的振动最大。另外，显而易见的是每隔1/2T秒，振动即完全消失（图1b中从上往下数3,5,7,9行的瞬时），驻波的最大值也位于这些瞬时间隔的中间（2,4,6,8,10），而且每经过这个时间间隔，在波腹处的振动的相位相反。
实验步骤：
实验内容超声驻波场中光衍射的实验观察

1. 开启激光电源，点亮激光器。调整激光器后方水平与垂直旋钮，使激光光斑打到观察屏中心处，达到准直的目的：

2. 令激光束垂直于声光介质的通光面入射，观察屏上的光点，可观察到二个光点，它们分别山透射光以及声光介质两个通光曲反射并进一步经激光器输出镜反射的光线形成，当此三个光点在观察屏上处于与声传播方向相同的条直线上即可，这时可认为入射光己垂直于声传播方向。（但如果反射回来的光又进入激光器，会引起激光器工作不稳定。）3.打开电源，开启声光调制器驱动电源，改变频率，使衍射最强，观察衍射光斑形状。4.用相机记录光斑形状。二、观察超声驻波场的像，测量声波的传播速反实验仪器如图7所示，仪器山安装在光学导轨上的激光器、驻波声光调制器、观察屏组成。

1. 重复实验一的步骤，令观察屏的衍射光点最多。
2. 读出声光调制器距观察屏的距离。
3. 测量出衍射中央条纹和一级条纹的间距（使用可读数的一维位移架）。
4. 计算声光介质中的声速（V=（2f）这里f=10MHz,入=633nm，1为声光调制器距观察屏的距离，d'为衍射中央条纹和一级条纹的间距）思考题：推导声速测量公式。
音频信号传输实验
实验仪器图8所示，仪器由安装在光学导轨上的激光器、驻波声光调制器、电光接收器、信号放大器组成。

1、 重复实验一的步骤，令观察屏上的衍射光点最多。
2、 将光拦探头置于导轨另一端，让激光衍射光斑入射到光探头中心（选择合适的光拦避免激光太强探测器饱和）。
3、 用音频线将音频信号源接到驱动电源面板上的音频输入。
4、 讲驱动电压调到7V左右，信号放大器的光放大调到噪音相对比较小位置，然后再调整声光晶体的驱动频率找到声音效果比较好的频率点。从而理解声音信号在光路系统中的调制和解调。
实验结果：
公式推导：

， ，
得
即
故
声速：

声波信号通过声光器件进行调制使光学系统中的光带有声波信号的信息，再通过光电接收器件接收信号，在经过信号放大器解调将光信号转换回声波信号。