声光调制实验
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成绩信息与通信工程学院实验报告
(操作性实验)
课程名称:物理光学
实验题目:声光调制实验指导教师: 班级:学号: 学生姓名:
一、实验目得与任务
1、观察声光调制得偏转现象
2、测试声光调制得幅度特性
3、显示声光调制偏转曲线
4、观察声光调制随频率偏转现象
5、测试声光调制频率偏转特性
6、测量声光调制器得衍射效率
7、测量超声波得波速
8、声光调制与光通讯实验演示
二、实验仪器及器件
声光调制实验仪
图1 声光调制实验仪装置
三、实验内容及原理
声光调制原理:
当声波在某些介质中传播时,会随时间与空间得周期性得弹性应变,造成介质密度(或光折射率)得周期变化、介质随超声应变与折射率变化得这一特性,可使光在介质中传播时发生衍射,从而产生声光效应:存在于超声波中得此类介质可视为一种由声波形成得位相光栅(称为声光栅),其光栅得栅距(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得传播方向,并使光强在空间作重新分布。
声光器件由声光介质与换能器两部分组成。前者常用得有钼酸铅(PM)、氧化碲等,后者为由射频压电换能器组成得超声波发生器、如图1所示为声光调制原理图。
射频信号
图2 声光调制得原理
图1 声光调制原理
理论分析指出,当入射角(入射光与超声波面间得夹角)满足以下条件时,衍射光最强。
(1)
式中N为衍射光得级数,、k分别为入射光得波长与波数,与K分别为超声波得波长与波数
声光衍射主要分为布拉格(Bragg)衍射与喇曼—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)得布拉格区。
满足布拉格衍射得条件就是:
(2)
(式中F与分别为超声波得频率与速度,为光波得波长)
当满足入射角较小,且得布拉格衍射条件下,由(1)式可知,此时 ,并有最强得正一级(或负一级)得衍射光呈现。
入射(掠射)角与衍射角之与称为偏转角(参见图1),由(2)式:
(3)
由此可见,当声波频率F改变时,衍射光得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得传播速度为:
(4)
四、实验步骤
1、观察声光调制得偏转现象
(1)调节激光束得亮度,使在像屏中心有明晰得光点呈现,此即为声光调制得0级光斑。
(2)打开载波选择开关,拨至“80MHz”得档级,调节“载波幅度"旋钮,此时80MHz得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得转向,以改变声光调制器得光点入射角,即可出现因声光调制而偏转得衍射光斑、当一级衍射光最强时,声光调制器即运
转在布拉格条件下得偏转状态。
2、测试声光调制得幅度特性
(1)取去像屏,使激光束得0级光仍落在光敏接收孔得中心位置上。
(2)微调接收器滑座得测微机构,使接收孔横向移动到一级光得位置(监视“接收光
强指示”表使其达最大值)。
(3)调节“载波幅度"旋钮,分别读出载波电压与接收光强得大小,画出光强~调制电
压得关系式(I
d ~U
m
)。
3、显示声光调制偏转曲线
将接收器滑座横向细调到线阵CCD矩形接收孔得中间位置上,适当调整示波器使其正确呈现出0级光与次级光得声光调制偏转曲线、
4、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"得步序,先将“载波选择”置于“关”得位置,记下接收器滑座横向测微计在0级时得读数、
(2)将“载波选择”开关置于Ⅰ或Ⅱ得位置,可以观察到1级光(或多级光)得平移变化现象。
5、测试声光调制频率偏转特性
(1)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得位置。
分别记下载波频率指示与测微计读数(即平移距离d)、
待测得1级光与0级光点间得距离d与声光调制器到接收孔之间得距离
L(由导轨面上标尺读出)后,由于L>〉d,即可求出声光调制得偏转角:
(2)画出偏转角——调制频率得关系曲线(θ
d
~F)。
(3)测得各调制频率F值所对应得衍射光强I
d
,画出衍射光强~调制频率得关系曲线
(I
d~F),该曲线中得I
d
峰值I
dmax
应与中心频率相对应,而其与下降3dB所对应
得频率差即为声光调制器得带宽、6、测量声光调制器得衍射效率
衍射效率η定义为:
即最大衍射光强I
dmax 与0级光强I
之比,分别测得最强衍射光与0级光得光强值,其
比值即为衍射效率。
7、测量超声波得波速
将超声波频率F、偏转角与激光波长各值代入(4)式,即可计算出超声波在介质中得传播速度。
8、声光调制与光通讯实验演示
将音频信号(来自广播收音机、录音机、CD机等音源)输入到本机得“外调输入”插座,将扬声器插入主控单元后面板得“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。
五、实验测试数据表格记录
图3 布拉格衍射光斑
图4拉曼衍射光斑
表1声光调制数据
载波电压U/V 0。13 0。190.250。31 0、41 0、500、65 0、87 0.92
0.98 1。341。64 2.32 2。45 3.32 4。05 5、00调制光强I/V 0。6
7
六、实验数据分析及处理
一级光与二级光点间得距离d=2.0mm
声光调制器到接受孔之间得距离L=46。5cm
声光调制器得偏转角=0、4
衍射效率=5、0/6.02=0、83
超声波得波速= 5500