声光效应
概念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,这种现象称之为声光效应。
原理声光效应就是研究光通过声波扰动的介质时发生散射或衍射的现象。由于弹光效应，当超声纵波以行波形式在介质中传播时会使介质折射率产生正弦或余弦规律变化，并随超声波一起传播，当激光通过此介质时，就会发生光的衍射，即声光衍射。衍射光的强度、频率、方向等都随着超声波场而变化。其中衍射光偏转角随超声波频率的变化现象称为声光偏转[1]；衍射光强度随超声波功率而变化的现象称为声光调制。
主要用途有：制作声光调制器件，制作声光偏转器件，声光调Q开关，可调谐滤光器，在光信号处理和集成光通讯方面的应用。
声光衍射可以分为拉曼-拉斯（Ranman-Nath）衍射和布拉格（Bragg）衍射两种情况。本实验室主要研究钼酸铅晶体介质中的布拉格衍射现象。
布拉格方程：θB=sinθB=λfs/2nvs ，其中θB 为布拉格角，λ为激光波长，n为介质折射率，vs 为超声波在介质中的速率。由此知不同的频率对应不同的偏转角φ=2θB，所以可以通过改变超声波频率实现声光偏转。
布拉格一级衍射效率为：η1=I1/Ii=sin2((π/λ).(LM2Ps/2H)1/2) ，其中Ps为超声波功率，M2为声光材料的品质因素，L、H分别表示换能器的长和宽。由此知当超声功率改变时，η1也随之改变，因而可实现声光调制。
实验仪器主要实验仪器：有半导体激光器、声光器件及转角平台、超声波功率信号源、频率计、光强仪、示波器、光具座、支架、导线等附件。各仪器原理、具体型号及参数见声光效应实验讲义。
实验内容① 按照实验讲义完成实验仪器的连接。
② 打开激光器、光强仪、示波器，调节光路，直至在示波器上显示一稳定完整的单峰波形。
③ 接着打开功率信号源，微调转角平台，直至示波器上显示出布拉格衍射的零、一级衍射图像即一个良好的双峰波形。
④ 最后测量声光偏转和声光调制曲线；
⑤ 为了获得理想波形，有时需要反复调节激光器、转角平台、光强仪等。
注意事项在严格执行实验步骤的条件下，注意以下几点：
①尽量避免地面、桌面、光具座等的震动；
②记录数据的过程中，所有数据必须是在相同y轴倍率下测得；
③无饱和失真现象；无小毛刺；
④衍射波形不稳定时要等波形较稳定后再读数；
⑤背景光、电压也会对实验现象造成一定影响，应尽量避免。
声光效应的内容
当超声波传过介质时，在其内产生周期性弹性形变，从而使介质的折射率产生周期性变化，相当于一个移动的相位光栅，称为声光效应。若同时有光传过介质，光将 被相位光栅所衍射，称为声光衍射。利用声光衍射效应制成的器件，称为声光器件。声光器件能快速有效地控制激光束的强度、方向和频率，还可把电信号实时转换 为光信号。此外，声光衍射还是探测材料声学性质的主要手段。
1922年,L.N.布里渊在理论上预言了声光衍射;1932年 P.J.W.德拜和F.W.席尔斯以及R.卢卡斯和P.比夸特分别观察到了声光衍射现象。从1966年到1976年期间，声光衍射理论、新声光材料及高性 能声光器件的设计和制造工艺都得到迅速发展。1970年，实现了声表面波对导光波的声光衍射，并研制成功表面（或薄膜）声光器件。1976年后，随着声光技术的发展，声光信号处理已成为光信号处理的一个分支。
声光效应的基本理论
声光效应
弹性形变所引起的介质折射率变化可以写成
式中n为介质的折射率，S为介质形变的程度，p为声光（或弹光）系数（由材料性质决定）。声光衍射的特性与声光互作用长度L的大小有关（图1）。声光衍射特征长度的定义为
式中λ＝λ0/n为介质中光波波长（λ0为真空中波长），为超声波波长（v为声速，f为频率）。由上式可见，在高频工作时，L0很小。
喇曼-奈斯衍射要求满足条件，相当于平面光栅。此种衍射的特点是：①对入射光方向无严格要求，一般取垂直入射；②衍射光有许多级（图1a），第m级衍射光的方向和衍射效率为
式中Ii为入射光光强；V呏（2π/λ0）墹nL，称为声光相移；Jm是第m阶贝塞尔函数。当V=1.84弧度时,J1(V)达到最大,并有η=0.339=33.9％,高级衍射的效率更低。
布喇格衍射要求满足条件L≥2L0,相当于体光栅。此种衍射的特点是：①只有当入射光方向满足一定条件时，才有显著的声光衍射；②衍射光或者只有+1级或者只有-1级（图1b）,并分别称为±1级布喇格衍射。入射光和衍射光方向以及衍射效率为
式中θi和θd分别为入射光和衍射光与超声波波面的夹角，θB为布喇格角。布喇格衍射只出现一束衍射光，且η可高达100％(V=π时),故在实用上一般都采布喇格衍射。
声光器件 在实际器件中，超声波是由压电换能器激发，声光互作用介质和压电换能器相结合即为声光器件(图2)。声光器件分为两类。①体声光器件：声波和光波均在介 质体内传播,声光互作用介质和压电换能器常用铟、锡或铝等软金属材料，通过真空冷压焊工艺粘合在一起。②表面(或薄膜)声光器件：声波为沿介质表面传播的 声表面波，光波则为在平面光波导中传播的导光波。这时，声光介质和压电材料融为一体，衬底材料必须既具有声光效应又具有压电效应,常用的材料有Y切铌酸 锂，而叉指换能器只需在材料表面蒸镀叉指状电极。
声光调制器根据声光调制原理制成的器件。声致相移V和超声功率Pa之间的关系为
式中M2呏np/ρV(ρ为介质的密度)是由声光材料性质决定的物理量,称为声光优值。由式(2)和(3)可见,改变Pa（实际是改变加在压电换能器上的电信号功率）即可改变η或Id的值。当V较小时，sin(V/2)≈V/2，易得η≈(V/2)∝Pa，即可实现线性调制。
声光偏转器根据声光偏转原理制成的器件。由图1b可见，偏转角(即衍射光与入射光之间的夹角)α=θi+θd，把式(1)代入，即得
改变加在压电换能器上的电信号的频率f,即可改变衍射光的方向。
声光移频器由于超声波是向前传播的，声光衍射时光将发生多普勒频移。对于 ±1级布喇格衍射，ωd=ωi±Ω,式中ωi、ωd和Ω分别为入射光、衍射光和超声波的圆频率。改变电信号的频率f=Ω/2π,即可改变衍射光的频率。
声光可调滤光器例如入射光具有复杂的光谱成分(即包括许多不同波长的光)，式(1)可改写成θi=λf/2V。当θi一定时，λf为常数。相对地改变电信号频率f，波长不同的光将相应地分别被声光衍射取出。