晶体声光调制实验报告

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篇一：实验十三晶体声光效应与声光调制实验
实验十三晶体声光效应与声光调制实验
当光波通过受到超声波扰动的介质时会发生衍射现象，这种现象被称为声光效应，它是光波与介质中声波相互作用的结果。

声光效应可以用于控制激光束的频率、方向和强度，利用声光效应制成的各种声光器件，如声光调制器、声光偏转器和可调谐滤光器等，在激光技术、光信息处理和集成光通信技术等方面有着重要的应用。

一、实验目的
1.掌握声光效应的原理和实验规律；
2.观察喇曼-奈斯（Ranman—nath）衍射的实验条件和特点；
3.利用声光效应测量声波在介质中的传播速度；
4.测量声光器件的衍射效率和带宽；
5.了解声光效应在新技术中的应用；
二、实验原理
当超声波在介质中传播时，将引起介质的弹性应变作时间上和空间上的周期性变化，并且导致介质的折射率也发生相应的变化。

当光束通过有超声波的介质后就会产生衍射现象，这就是声光效应。

有超声波传播的介质如同一个相位光栅。

根据超声波频率的高低或声光相互作用长度的长短，可以将光与弹性声波作用产生的衍射分为两种类型，即喇曼—奈斯型衍射和布拉格型衍射。

1.喇曼－奈斯衍射
当超声波频率较低、声光相互作用距离较小时，即
?2
l?s20
平面光波沿z轴入射，就相当于通过一个相位光
栅，将产生喇曼－奈斯衍射，如图2所示。

根据相关理论可以证明以下结论：
（1）各级衍射角θ满足下列关系：
sin??m??0（1）
s
其中，λ0为入射激光波长，λs为超声波波长，m=0，±1，±2，±3，?。

（2）各级衍射光强与入射光强之比为：
Im2?Jm(?)（2）I入
其中，Jm(?)为m阶贝塞尔函数，??
光强是对称分布的。

（3）各级衍射光的频率由于产生了多普勒频移而各不相同，各级衍射光的频率为2??022(?)?J??)，所以零级极值两侧的?L。

因为Jmm(?0?m?s。

2．布拉格衍射
当超声波频率较高，声光相互作用距离较大，满足
l?2?2
s
?
并且光束与声波波面间保持一定的角度入
射时，将产生布拉格衍射。

这种衍射与晶体
对故称为布喇格x光的布喇格衍射很类似，
衍射。

能产生这种衍射的光束入射角称为布
喇格角。

此时有超声波存在的介质起体积光
栅的作用。

布拉格衍射的特点是：
（1）理想情况下，只出现零级和＋1级衍射或－1级衍射。

（2）若参数合适、超声功率足够大，入射光功率几乎可以全部转换到＋1级或－1级上。

（3）产生布拉格衍射的入射角θb满足关系：
sin?b??0（3）2?s
（4）1级衍射光强与入射光强之比为：
I112??sin2[(?nL)]（4）I?2?
3．声光调制：无论是喇曼－奈斯衍射还是布拉格衍射，都可以通过改变超声波的强度而改变衍射光的强度。

所以可以把调制信号加在超声波功率放大级，以达到光强调制的目的。

4．声光偏转：无论是喇曼－奈斯衍射还是布拉格衍射，都可以通过改变超声波
的
频率而改变衍射光的偏转方向。

若对超声频率固定的超声发生器实现“开关”功能，在“开”时由于产生衍射，+1级或-1级衍射光存在，在“关”时，衍射光不存在，就可实现“声光开关”功能。

一般“声光开关”运用的是布拉格衍射。

三、实验仪器
Losg-Ⅱ型晶体声光效应实验系统的组成如图1所示，主要包括光路部分和声光效应实验仪两部分。

光路部分包括he-ne激光器，激光器电源，声光器件，精密旋转台，导轨，白屏等；实验仪包括超声波信号(:晶体声光调制实验报告)源，脉冲方波产生器，光电池、光功率计，脉冲信号解调器等。

实验时，需另配频率计和双踪示波器。

主要部件的技术指标：
1．he-ne激光器：波长632.8nm，功率2mw。

2.声光器件：工作波长633nm，中心频率100mhz±0.5mhz，衍射效率≥40%，脉冲重复频率≥1mhz。

3．高频超声信号源：
工作频率80—120mhz，输出功率约为700mw；
调制脉冲频率≤10Khz，TTL接口；
4．脉冲方波产生器：工作频率0.5～2Khz，TTL接口。

四、实验内容及步骤
1．观察喇曼—奈斯衍射现象
按照图1所示安置好有关部件：把激光器、精密旋转台、白屏等一字排列在轨道上，
声光器件固定在精密旋转台上；将激光器电源连接到激光器；把声光效应实验仪的超声功率输出用电缆连接到声光器件；“等幅/调幅”开关放在等幅位置，“光功率/解制”开关置于光功率（参看实验仪的面板图）。

打开he－ne激光器电源，调整声光器件在光路中的位
置和光的入射角度，使光束穿过声光器件，照射在白屏上。

打开声光效应实验仪的电源（注意在未连接声光调制器之前，不能开启电源）仔细调整声光器件在光路中的位置和光的入射角度，调整信号源输出功率至最大（直流电流表指示最大）同时调节信号源输出频率，使光屏上显示的光点最
多。

出现喇曼－奈斯型衍射，使之达到最佳状态。

分别改变信号发生器的功率和频率，观察衍射现象的变化，记录实验现象。

2．测量超声波长λs和声速υs
如图4所示，测量光屏上0级和一级衍射光点之
间的距离a，声光器件与光屏之距离L，计算一级衍射
角?，??sin??a，依据（1）式有：L
s?0?0?0L（5）asin??
0其中，he－ne激光器波长λ
式即可求得λs。

又因为：=632.8nm，m=1，代入上
vs??sfs（6）
式中fs为超声信号源的频率，可用频率计测量，这样就可求得声速vs。

具体测量如下：
在80—120mhz之间，每隔约5mhz测一次，记录-1和+1级之间的间隔，即2a。

以fs为横坐标、2a为纵坐标作图。

对实验点坐线性拟合，求其斜率，由此计算调制晶体中的声速vs。

3．测量声光器件的衍射效率
在喇曼－奈斯衍射条件下，一级衍射光的效率为：
??I1（7）I?
其中，I1为±1级衍射光强，Iλ为入射光强。

将光电池插入实验仪的“光电池”插座，将功率计调零；再把光电池置于声光器件
前
面，让光束对准光电池的入射孔，此时光功率计的读数即为入射光强Iλ。

然后再将光电池置于白屏前面，光电池
入射孔对准一级衍射光点。

由光功率计读出一级衍射光强I1。

按
（7）式计算衍射效率η。

4．测量声光器件的带宽和中心频率
声光器件有一个衍射效率最大的工作频率,此频率称为
声光器件的中心频率,对于其它频率的超声波,其衍射效率
将降低，一般认为衍射效率(或衍射光的相对光强)下降
3db(即衍射效率降到最大值的1时)两频率的间隔为声光器
件的带宽。

做这项实验时，将频率计的输入与实验仪的“测频”插座连接，测量超声信号源的频率。

调节超声波的频率，用功率计测量各频点对应的一级衍射光强和入射光强。

由于一级衍射光点的位置随频率的改变而改变，所以在测试过程中必须相应调整光电池的位置，使其入射孔始终对准一级衍射光。

求得衍射效率与超声波频率的关系曲线，定出声光器件的带宽和中心频率。

5．观测利用声光效应的信息传输实验
将实验仪的“等幅/调幅”开关置于调幅，“功率计/解
调”开关置于解调，“调制频率监测”和“解调监测”分别连接双踪示波器的x输入和Y输入。

开启实验仪的电源，这样加到声光器件上的信号变成经脉冲方波调制的超声波，经过声光相互作用，传输到接受端。

调节“调制频率”并控制“音量”，可由双踪示波器上观测调制频率和解调频率及其变化，并且由仪器内置的扬声器收听变化的音调。

注意：信息传输是利用衍射光，所以必须使光电池的入射孔对准一级衍射光。

五、注意事项
1．高频超声信号源不得空载，即在开启实验仪电源前，应先将“输出”端与声光器件相
连，否则，容易损坏超声信号源。

2．声光器件应小心轻放，不得冲击碰撞，否则将可能损坏内部晶体而报废，这种损坏属
于人为损坏，不予保修或更换。

3．声光器件的通光面不得接触、擦拭、清洗，不做实验时，通光孔可用不干胶纸封住，
否则易损坏光学增透膜，如有灰尘可用洗耳球吹去。

篇二：声光调制实验
声光调制实验
教学目的1、掌握声光调制的基本原理；
2、了解声光器件的工作原理；观察布拉格声光衍射现
象；
3、了解布拉格声光衍射和拉曼—奈斯声光衍射的区别。

重难点难点：理解和掌握晶体声光调制的原理和实验方法；
重点：了解布拉格声光衍射并观察布拉格声光衍射现象教学方法理论联系实际；实验观察与比较；精讲与指导讨论相结合学时3个学时
一、前言
早在本世纪30年代就开始了声光衍射的实验研究。

60年代激光器的问世为声光衍射现象的研究提供了良好的光源，促进了声光效应理论和应用研究的迅速发展。

声光效应为控制激光束的频率、方向和强度提供了一个有效的手段。

利用声光效应制成的声光器件，如声光调制器、声光偏转器和可调谐滤光器等，在激光技术、光信号处理和集成光通讯技术等方面有着重要应用。

声光效应已广泛应用于声学、、光学和光电子学。

近年来，随着声光技术的不断发展，人们已广泛地开始采用声光器件在激光腔内进行锁膜或作为连
续器件的Q开关。

由于声光器件具有输入电压低件的Q开关。

由于声光器件具有输入电压低驱动功率小、温度稳定性好、能承受较大光功率、光学系统简单、响应时间快、控制方便等优点，加之新一代的优质声光材的发现，使声光器件具有良好的发展前景，它将不断地满足工业、科学、军事等方面
的需求。

一、实验仪器
图6系统装置图
1.调平底脚
2.导轨
3.滑座
4.四维调整架
5.半导体激光器
6.声光晶体盒
7.旋转平台8.小孔光阑9.横向滑座10.光电探测器
本实验系统是由半导体激光器、声光盒、小孔光阑、光电探测器以及声光调制电源箱组成。

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?s，这
种光栅称为超声光栅。

声波在介质中传播时，有行波和驻波。