声光调制实验

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。

二、电路系统

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。

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）

【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。

射频信号

图1 声光调制原理

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 θ满足以下条件时，衍射光最强。

⎪⎪⎭

⎫

⎝⎛=⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=s s i N k K N N λλπλλ

π

θ2242sin (5.1)

式中N 为衍射光的级数，λ、k 分别为入射光的波长和波数λ

π

2=

k ，s λ与K 分别为超

声波的波长和波数s

K λπ

2=

。

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：

s

F

Sin υλθ2=

B (5.2)

（式中F 与s υ分别为超声波的频率与速度，λ为光波的波长）

当满足入射角i θ较小，且 B i θθ=的布拉格衍射条件下，由（5.1）式可知，此时

k

K

B 2≈

θ ，并有最强的正一级（或负一级）的衍射光呈现。 入射（掠射）角i θ与衍射角B θ之和称为偏转角d θ（参见图5.4），由（5.2）式：

s

s B B i d F k K V 2λ

λλθθθθ===

=+= (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：

d

s F θλ

=

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。