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。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。二、电路系统除光电转换接

2、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6080MHz 声光调制80100MHz 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

3、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。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

4、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

5、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）【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

6、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。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）满足以下条件时，衍射光最强。(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，与K分别为超声波的波长和波数。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： (5.2)（式中F与分别为超声波的频率与速度，为光波的波

7、长）当满足入射角较小，且 的布拉格衍射条件下，由（5.1）式可知，此时 ，并有最强的正一级（或负一级）的衍射光呈现。入射（掠射）角与衍射角之和称为偏转角（参见图5.4），由（5.2）式：(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：(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

8、旋初始值最好在1015mm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。4、 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Y、Y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

9、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

10、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。 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。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）。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。（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

11、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。（2） 将“载波选择”开关置于和的位置，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”开关置于和的位置，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Ld，即可求出声光调制的偏转角：画出偏转角调制频率的关系曲线（dF）。（2） 测得

12、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（IdF），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。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。5、 测量声光调制器的衍射效率 衍射效率定义为：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）、偏转角与激光波长（630680nm，可取650nm）各值代入公式，即可计算出超声波在介质中的传播速度。三、 声光调

13、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：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。【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

14、一级衍射光光强Id3.214.124.875.125.265.32作IdUm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d d/L0.00890.01030.01180.01350.0145作dF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)607

15、08090100一级衍射光光强Id0.770.891.252.730.82作IdF曲线。3、 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= 53.21% 。4、 测量超声波的波速超声波在介质中的传播速度= 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