声光调制实验

式中， M 2
=
n6P 2 ρ vs3
M2
，是声光介质的物理参数组合，是由介质本身性质决定的量，称为声光
材料的品质因数(或声光优质指标)，它是选择声光介质的主要指标之一。从(17)式可见： (a)若在超声功率 Ps 一定的情况下，欲使衍射光强尽量大，则要求选择 M2 大的材料，并且， 把换能器做成长面较窄（即 L 大 H 小）的形式；(b)如果超声功率足够大，使
式中Δф是传播距离 L 后位相改变量。引入有效弹光系数 pe 和有效应变 Se，
1 ∆nij = n3 peSe 2
其中有效应变 Se 同声波场强度 Is 的关系是
S
e
2Is = ρv s

1 2
式中 v 是声速， ρ 是介质密度。于是(13)式写成
s
1 2 1 2π n6 pe 2 π 2 2 2 3 = sin L L(MIs )2 η = sin λ ρvs λ
声行波形成的超声光栅
3、声光效应 声光效应是指光波在介质中传播时，被超声波场衍射或散射的 现象。由于声波是一种弹性波，声波在介质中传播会产生弹性 应力或应变，这种现象称为弹光效应。介质弹性形变导致介质 密度交替变化，从而引起介质折射率的周期变化，并形成折射 率光栅。当光波在介质中传播时，就会发生衍射现象，衍射光 的强度、频率和方向等将随着超生场的变化而变化。声光调制 就是基于这种效应来实现其光调制及光偏转的。 4、布拉格衍射 如果声波频率较高，且声光作用长 度较大，此时的声扰动介质也不再 等效于平面位相光栅，而形成了立 体位相光栅。这时，相对声波方向 以一定角度入射的光波，其衍射光 在介质内相互干涉，使高级衍射光 相互抵消，只出现0级和1级的衍射 光，简言之，我们在屏上观察到的 是0级光斑和+1级光非常亮或者0级 光斑和-1级光很亮，而其它各级的 光强却非常弱。
四、注意事项
1、调节过程中必须避免激光直射人眼，以免 对眼睛造成危害。 2、调节四维调整架时要轻调，不可用力过大， 以免损坏调整架。 3、为防止强激光束长时间照射而导致光敏管 疲劳或损坏，调节使用后需要随即用塑盖将 光电接收孔盖好。 4、 声光晶体易碎要轻拿轻放，若两端面上落 灰尘不可用力擦除。若长期不用，晶体要放在 干燥器皿内保存。 5、光电探测器是半导体器件应避免强光照射以 免烧坏。做实验时光强应由弱到强缓慢改变， 当出现饱和时可降低光强。
1 i
s
π
2λ
L M 2 Ps H
达
到 π 时，＝100%(c)当 P 改变时， II 也随之改变，因而通过控制 Ps(即控制加在电声换能器上 2 的电功率)就可以达到控制衍射光强的目的，实现声光调制。
三、实验内容
1、观察声光调制的衍射现象
调节激光束的亮度，使在接收屏（即小孔光阑）上有清晰的光点 呈现； 打开声光调制电压至最大，此时以100MHz为中心频率的超声波开 始对声光晶体进行调制； 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束入 射角，即可出现因声光调制而出现的衍射光斑； 仔细调节光束对声光调制器的角度，当+1级（或者－1级）衍射 光最强时，声光调制器运转在布拉格衍射条件下
五、思考题
1、什么是弹光效应和声光效应；
2、简述布拉格声光调制实现的过程；
3、产生布拉格声光衍射的条件是什么，布拉 格声光衍射及拉曼-奈斯衍射的区别及联系。
η=
I j ( L) I i ( 0) = sin 2 ( kij L)
由于 ∆
3 1 = pijkl S kl ≈ − 23 ∆nij ，注意到 k ij = n π pijkl S kl ＝ − π ( ∆nij ) 。因此，上式可写为 2 λ n 2λ nij
∆φ π η = sin 2 ( ∆nij ) L = sin 2 ( ) 2 λ
2、布拉格声光调制
由于发生布拉格声光衍射时，声光相互作用长度较大，属于体光栅情况。 理论分析表明，在声波场的作用下射光和衍射光之间存在如下关系
Ei ( r ) = Ei (0) cos(kij r ) ' ' E j ( r ) = −iEi (0) sin(kij r )
式中 Ei 和 Ej 分别为入射和衍射光场，这为我们描述两个光场的能量转换效 率提供了方便。定义：在作用距离 L 处衍射光强和入射光强之比为声光衍射 效率，即
声波
入射光
ω
ω1+ω
衍射光
2θ
λ
非 衍 射 光
（二）声光调制原理
1、声光调制器的组成
吸声或 反射装 置
(1)声光介质 声光介质 3 声光介 是声光互作用的场所。 质 当一束光通过变化的超 耦合 入射光 1 声场时，由于光和超声 介质 场的作用，其出射光就 5 具有随时间变化的各级 2 衍射光，利用衍射光的 ~ 4 强度随超声波强度的变 化而变化的性质，就可 电声换 驱动电 能器 以制成光强度调制器。 源 (2)电-声换能器（又称超声发生器） 它是利用某些压电晶体（石 英、LiNbO3等）或压电半导体（CdS，ZnO等）的反压电效应，在外 加电场作用下产生机械振动而形成超声波，所以它起着将电功率转 换成声功率的作用。 (3)吸声（或反射）装置 它放置在超声元的对面，用以吸收已通 过介质的声波（工作于行波状态），以免返回介质产生干扰，但要 使超声场工作在驻波状态，则需要将吸声装置换成声反射装置。
小孔光 阑
声光晶体
光电探 测器
导轨
半导体 激光器
ຫໍສະໝຸດ Baidu
声光晶体调制、接受电源
三、实验原理
（一）声光调制的物理基础
1、弹光效应 若有一超声波通过某种均匀介质，介质材料在外力作用下发生形变， 分子间因相互作用力发生改变而产生相对位移，将引起介质内部密度 的起伏或周期性变化，密度大的地方折射率大，密度小的地方折射率 小，即介质折射率发生周期性改变。这种由于外力作用而引起折射率 变化的现象称为弹光效应。弹光效应存在于一切物质。 2、声光栅 当声波通过介质传播时，介质就会产生和声波信号相应的、随时间 和空间周期性变化的相位。这部分受扰动的介质等效为一个“相位 光栅”。其光栅常数就是声波波长λ，这种光栅称为超声光栅。
大学物理实验
声光调制
一、实验目的
1、掌握声光调制的基本原理。 掌握声光调制的基本原理。 2、了解声光器件的工作原理。 了解声光器件的工作原理。
奈斯衍射的区别。 3、了解布拉格衍射和拉曼—奈斯衍射的区别。 了解布拉格衍射和拉曼 奈斯衍射的区别
4、观察布拉格声光衍射现象。 观察布拉格声光衍射现象。
二、实验仪器
2、观察交流信号调制特性
改变线性直流偏压，观察不同衍射光强下的调制波形
下失真波形
上失真波形
不失真波形
双失真波形
3、声光调制与光通讯实验演示
在驱动源输入端加入外调制信号（如音频信号、文字和图像 等），则衍射光强将随次信号变化，从而达到控制激光传输 特性的目的，实现模拟光通信。
不失真音频信号
失真音频信号