声光调制实验

1声光调制实验【实验目的】1、了解声光调制实验原理；2、研究声场与光场相互作用的物理过程；3、测量声光效应的幅度特性和偏转特性。【实验仪器及装置】声光调制实验仪（半导体激光器、声光调制晶体、光电接收等）、示波器。图5.1所示为声光调制实验仪的结构框图。由图可见，声光调制实验系统由光路与电路两大单元组成。图2声光调制实验系统组成载波频率指示载波幅度指示接收光强指示声光晶体调制信号源激光电源主控单元激光器光电信号解调输出调制波解调波信号解调输出外接调制信号或音频信号超声载波信号源光电接收线阵信号输出（扩展用）YⅡYⅠ图5.1声光调制实验系统框图一、光路系统由激光管（L）、声光调制晶体（AOM）与光电接收（R）、CCD接收等单元组装在精密光具座上，构成声光调制仪的光路系统。二、电路系统注：本系统仅提供半导体激光管（包含电源）作为光源，如使用氦氖激光管或其他激光源时，需另配置其它配套电源。2除光电转换接收部件外，其余电路单元全部组装在同一主控单元之中。图5.2主控单元前面板图5.2为电路单元的仪器前面板图，各控制部件的作用如下：电源开关控制主电源，按通时开关指示灯亮，同时对半导体激光器供电。解调输出插座解调信号的输出插座，可送示波器显示。解调幅度旋钮用于调节解调监听与信号输出的幅度。载波幅度旋钮用于调节声光调制的超声信号功率。载波选择开关用于对声光调制超声源的选择：关——无声光调制80MHz——使用80MHz晶振的声光调制Ⅰ——60～80MHz声光调制Ⅱ——80～100MHz声光调制载波频率旋钮用以调节声光调制的超声信号频率。调制监视插座将调制信号输出到示波器显示的插座。（输出波形既可与解调信号进行比较，也可呈现出射光的能量分布状态）外调输入插座用于对声光调制的载波信号进行音频调制的插座。（插入外来信号时1kHz内置的音频信号自动断开）调制幅度旋钮用以调节音频调制信号的幅度。接收光强指示数字显示经光电转换后光信号大小。载波电压指示数字显示声光调制的超声信号幅度。载波频率指示数字显示声光调制的超声信号频率。3图5.3控制单元后面板图5.3为电路单元的仪器后面板图，板面各插座的功能如下：交流电源右侧下部为标准三芯电源插座，用以连接220V交流市电，插座上方系保护电源用的熔丝。至接收器与光电接收器连接的接口插座。载波输出输出超声功率至声光调制器的插座。激光器电源供半导体激光器用的电源输出插座。解调监听直接送有源扬声器发声的输出插座。三、系统连接1、光源将半导体激光器电源线缆插入主控单元后面板的“激光器电源”插座中。（如使用He-Ne激光管，需自配电源，且其输出直流高压务必按正负极性正确连接）2、声光调制由声光调制器的BNC插座引出的同轴电缆插入主控单元后面板的“载波输出”插座上。3、光电接收将光电接收部件（位于光具座末端）的多芯电缆连接到主控单元后面板的“至接收器”航空插座上，以便将光电接收信号送到主控单元。4、解调输出光电接收信号由“解调输出”插座输出，主控单元中的内置信号（或外调输入信号）由“调制监视”插座输出。以上两信号可同时送入双踪示波器显示或进行比较。5、扬声器将有源扬声器插入后面板的“解调监听”插座即可发声，音量由有源扬声器中的音量控制旋钮控制。（音量大小也与“载波幅度”与“解调幅度”旋钮有关）4【实验原理】当声波在某些介质中传播时，会随时间与空间的周期性的弹性应变，造成介质密度（或光折射率）的周期变化。介质随超声应变与折射率变化的这一特性，可使光在介质中传播时发生衍射，从而产生声光效应：存在于超声波中的此类介质可视为一种由声波形成的位相光栅（称为声光栅），其光栅的栅距（光栅常数）即为声波波长。当一束平行光束通过声光介质时，光波就会被该声光栅所衍射而改变光的传播方向，并使光强在空间作重新分布。声光器件由声光介质和换能器两部分组成。前者常用的有钼酸铅（PM）、氧化碲等，后者为由射频压电换能器组成的超声波发生器。如图5.4所示为声光调制原理图。声光介质声波吸收器衍射光入射光射频信号换能器图1声光调制原理声波idB图5.4声光调制的原理理论分析指出，当入射角（入射光与超声波面间的夹角）i满足以下条件时，衍射光最强。ssiNkKNN2242sin(5.1)式中N为衍射光的级数，、k分别为入射光的波长和波数2k，s与K分别为超声波的波长和波数sK2。5声光衍射主要分为布拉格（Bragg）衍射和喇曼-奈斯（Raman-Nath）衍射两种类型。前者通常声频较高，声光作用程较长；后者则反之。由于布拉格衍射效率较高，故一般声光器件主要工作在仅出现一级光（N=1）的布拉格区。满足布拉格衍射的条件是：sFSin2(5.2)（式中F与s分别为超声波的频率与速度，为光波的波长）当满足入射角i较小，且Bi的布拉格衍射条件下，由（5.1）式可知，此时kKB2，并有最强的正一级（或负一级）的衍射光呈现。入射（掠射）角i与衍射角B之和称为偏转角d（参见图5.4），由（5.2）式：ssBBidFkKV2(5.3)由此可见，当声波频率F改变时，衍射光的方向亦将随之线性地改变。同时由此也可求得超声波在介质中的传播速度为：dsFV(5.4)【实验内容及步骤】一、实验准备1、按图5.1的系统组成图先在光具座的滑座上放置好激光器和光电接收器。2、所有滑动座中心全部调至零位，并用固定螺丝锁紧，使光器件初步共轴。光电接收器的轴心要与光具座中心线平行，并安置好声光调制器的载物台。注意使各滑座的0刻度处在光具座的中心位置。测微螺旋初始值最好在10~15mm之间。3、光路准直：（1）打开激光电源，调节激光电位器使激光束有足够强度。调节激光器架上的三只夹持螺钉使激光束基本保持水平，用直尺量激光器光源输出口高度与光电接收器中心高度，使二者等高。此时激光器头部保持固定。（2）调节激光器尾部的夹持螺钉，使激光束的光点保持在接收器的塑盖中心位置上（去除盖子则光强指示最大），此后激光器与接收器的位置不宜再动。64、按系统连接方法将激光器、声光调制器、光电接收等组件连接到位。5、用所提供的电缆线分别将前面板的“调制监视”与“解调输出”插座与双踪示波器的YⅠ、YⅡ输入端相连，移去接收器塑盖时，接收光强指示表应有读数。6、将声光调制器的透光孔置于载物平台的中心位置，用压杆将调制器初步固定，然后使该滑座在靠近激光管附近的导轨内就位。7、调节载物平台的高度和转向，使激光束恰在声光调制器的透光孔中间穿过，再用压杆将声光调制器紧固定。载物平台的转向应在±10°以内。8、将光电接收器前端的弹簧钢丝夹夹持住白色像屏。二、实验现象观察及数据测量1、观察声光调制的偏转现象（1）调节激光束的亮度，使在像屏中心有明晰的光点呈现，此即为声光调制的0级光斑。（2）打开载波选择开关，拨至“80MHz”的档级，调节“载波幅度”旋钮，此时80MHz的超声波即对声光介质进行调制。（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点入射角，即可出现因声光调制而偏转的衍射光斑。当一级衍射光最强时，声光调制器即运转在布拉格条件下的偏转状态。2、测试声光调制的幅度特性（1）取去像屏，使激光束的0级光仍落在光敏接收孔的中心位置上。（2）微调接收器滑座的测微机构，使接收孔横向移动到一级光的位置（监视“接收光强指示”表使其达最大值）。（3）将载波选择开关拨至“80MHz”的档级，调节“载波幅度”旋钮，分别读出载波电压与接收光强的大小，画出光强～调制电压的关系曲线（Id～Um）。3、观察声光调制随频率偏转现象（1）按测试“声光调制幅度特性”的步序，先将“载波选择”置于“关”的位置，记下接收器滑座横向测微计在0级时的读数d0。注：为获得较好的线性效果，应控制激光功率，不使接收光强饱和，其接收光强指示的最大值应在5.8的读数范围内。注：仔细调节光束对声光调制器的角度可使衍射光强达最大值。7（2）将“载波选择”开关置于Ⅰ和Ⅱ的位置，可以观察到1级光（或多级光）的平移变化现象。4、测试声光调制频率偏转特性（1）将“载波选择”开关置于Ⅰ和Ⅱ的位置，调节“载波频率”旋钮，微调接收器横向测微计，使其始终跟踪一级光的位置。分别记下载波频率指示F与测微计读数d1。待测得1级光和0级光点间的距离d与声光调制器到接收孔之间的距离L（由导轨面上标尺读出）后，由于L＞＞d，即可求出声光调制的偏转角：Ldd画出偏转角——调制频率的关系曲线（θd～F）。（2）测得各调制频率F值所对应的衍射光强Id，画出衍射光强～调制频率的关系曲线（Id～F），该曲线中的Id峰值Idmax应与中心频率相对应，而其与下降3dB所对应的频率差即为声光调制器的带宽。5、测量声光调制器的衍射效率衍射效率η定义为：odmax即最大衍射光强Idmax与0级光强I0之比，分别测得最强衍射光与0级光的光强值，其比值即为衍射效率。6、测量超声波的波速将超声波频率F（80MHz）、偏转角d与激光波长（630～680nm，可取650nm）各值代入公式dsFV，即可计算出超声波在介质中的传播速度sV。三、声光调制与光通讯实验演示（可选做）将音频信号（来自广播收音机、录音机、CD机等音源）输入到本机的“外调输入”插座，将扬声器插入主控单元后面板的“解调监听”插座，打开载波选择开关至80MHz档位，适当调节载波幅度与解调幅度即可使扬声器播放出音响节目。注：改变频率时载波幅度会跟着改变，应随时调节“载波幅度”旋钮，以尽量保持调制幅度（载波电压表指示读数）一致。8【实验数据处理与分析】1、测试声光调制的幅度特性表5.1声光调制幅度特性实验数据表载波幅度Um（V）00.511.522.5一级衍射光光强Id0.150.170.581.061.752.37载波幅度Um（V）33.544.555.5一级衍射光光强Id3.214.124.875.125.265.32作Id~Um曲线。2、测试声光调制频率偏转特性零级光位置d0=11.230mm；声光调制器与接收孔间的距离L=46.0cm。表5.2声光调制偏转角与调制频率实验数据表载波频率F(MHz)60708090100一级衍射光位置d1(mm)7.1136.5115.8095.0124.563距离d=|d1-d0|4.1174.7195.4216.2186.667偏转角θd≈d/L0.00890.01030.01180.01350.0145注：在扬声器播音的同时，亦可由示波器监视调制波形和解调波形。如需观察载波或调幅波信号需用频响100MHz以上的示波器。9作θd~F曲线。表5.3声光调制衍射光强与调制频率实验数据表载波频率F(MHz)60708090100一级衍射光光强Id0.770.891.252.730.82作Id~F曲线。103、测量声光调制器的衍射效率最大衍射光强Idmax=2.73A；0级光强I0=5.13V；衍射效率η=53.21%。4、测量超声波的波速超声波在介质中的传播速度sV=403.3m/s。【实验注意事项】1、为防止强激光束长时间照射而导致光敏管疲劳或损坏，调节或使用后请随即用塑盖将光电接收孔盖好。2、调节过程中必须避免激光直射人眼，以免对眼睛造成危害。3、调节半导体激光器功率时，不要用力过大而损坏功率调节旋钮。4、调节载物平台的转向应在±10°以内。5、实验数据的单位和精度要求：角度单位为rad，螺旋测微器和标尺都需要估读一位。【实验思考题】1、叙述声光衍射的基本原理，说明布拉格衍射和喇曼-奈斯衍射的区别。答：声光衍射基本原理：当声波在某介质中传播时，会随时间与空间的周期性发生弹性应变，造成介质密度的周期性变化。介质随超声应变与折射率变化的这一特性，可使光在介质中传播时发生衍射，从而产生声光效应。区别：布拉格衍射声光作用长度较长，超声波的频率较高，光束与声波波面之间以一定的角度斜入射；喇曼-奈斯衍射声光作用长度较