试验2声光调制与声光偏转

实验报告
课程名称： 2011-2012光信息综合实验 指导老师： 林远芳
实验名称： 声光调制与声光偏转 实验类型：综合型 同组学生姓名：
一、实验目的和要求 二、实验内容和原理 三、主要仪器设备、操作方法和实验步骤 四、实验结果记录、数据处理分析 五、思考题 六、实验中遇到的问题，心得体会，意见和建议
一、实验目的和要求
1、了解声光相互作用原理。

2、观察拉曼－奈斯衍射和布拉格衍射现象。

3、研究声光调制和声光偏转的特性。

二、实验内容和原理
1、拉曼－奈斯声光衍射
声波强度较弱且声光相互作用长度较短的情况下，产生多级衍射。

光束通过声光介质方向改变小，仍可将出射波看成是平面波，但声波通过媒质时，波的相位在空间将受到调制，声光媒质犹如一块相位光栅。

2、布拉格声光衍射
布拉格声光衍射产生一个较强的第一级衍射，此时纵声波通过声光
介质可以看作间距为声波波长的一
排排反射层，由光栅方程得布拉格衍射条件为：
B
i θθθ==；
s B mk k =θsin 2
即s
s B n k k λλ
θ22sin =
=
表明出射波中只有唯一的一个峰。

又由于声波波面的运动，衍射光的频率要产生频移，可将声波面理解为运动的光源或运动的光接收器，它们的运动方向都使光频增加或缩小。

3、区分两种衍射的定量标准
从理论上说，拉曼－奈斯衍射和布拉格衍射是在改变光衍射参数时出现的两种极端情况。

影响出现两种衍射情况的主要参数是，声波长λs 、入射角θi 及声光作用距离L 。

为了给出区分两种衍射的定量标准，特引入参数G 来表征，即
-2ωs
-1 ω-ωs
+2 ωs
ω+ωs ω
z
超声波
布喇格衍射波 ）
入射波 （ω ）
i
s i
i i s n L
k L k G θλπλθcos 2cos 22== 当L 小且λs 大时，为拉曼－奈斯衍射；当L 大且λs 小时，为布拉格衍射。

经过多年的实践，现已普遍采用下列定量标准：
拉曼－奈斯衍射区： π<G
布拉格衍射区：
π4≥G 为了便于应用，又引入量：i s i i
s n n
L λλλθλ220cos ≈=，则 0
2L L G π=。

因此，上面的定量标准可以改为： 拉曼－奈斯衍射区： 02
1L L < 布拉格衍射区：
02L L ≥
L 0称为声光器件的特征长度，引入了参数L 0，可使器件的设计工作十分简便。

4、声光调制
声光调制：通过改变超声波的强度而改变衍射光强度，即是声光调制。

这是一种利用声光效应将信息加载与光频载波上的物理过程。

调制信号是以电信号形式作用于电－声换能器上，再转换为以电信号形式变化的超声场，当光波通过声光介质时，由于声光作用，使光载波受到调制而成为“携带”信息的强度调制波。

对于拉曼－奈斯型衍射，其工作效率较低，一般<40MHz ，根据判据式所确定的相互作用长度L 很小，当工作效率较高时，最大允许长度L 太小，要求的声功率很高，因此，拉曼－奈斯型声光调制器只限于低频工作，只具有有限的带宽。

由于拉曼－奈斯型衍射效率低，光能利用率也低，目前已较少使用。

对于布拉格型衍射，只要对声强加以调制，衍射光强也就受到了调制。

布拉格衍射必须使光束以布拉格角入射，同时在相对于声波阵面对称方向接受衍射光束时，才能得到满意的结果。

布拉格衍射由于效率高，且调制带宽较宽，故多被采用。

5、声光偏转
声光偏转：无论是拉曼－奈斯衍射还是布拉格衍射，都可以通过改变超声波的频率来改变衍射光的偏转方向。

由于布拉格衍射可以实现只有1级的高效率衍射，所以一般采用布拉格衍射作为声光偏转器。

实际上在使用布拉格声光偏转器时，入射光
的入射角方向是固定不变的，变化声波可改变衍
射光的方向。

衍射光的光强将随着对布拉格条件的偏离而变弱。

规定衍射光强下降到一半时的声
频变化范围为偏转器的布拉格带宽。

三、主要仪器设备、操作方法和实验步骤
1、声光器件
产生声光效应的器件叫声光器件。

声光器件包括声光介质、电－声换能器和声吸收材料等。

声光介质是声光相互作用的媒介。

电－声换能器又称超声波发生器，利用某些压电晶体如石英或者铌酸锂的反压电效应，
压电换能器
声吸收媒介 衍射光
入射光
声光媒介 声光器件结构图
在外界电场作用下产生机械振动，将该机械振动耦合到声光介质中，以便在声光介质中建立起超声场。

本实验中声光介质为钼酸铅（PbMoO4),它是各向同性晶体。

2、高频功率信号发生器（声光驱动源）
高频功率信号发生器为声光器件的电一声换能器提供电功率。

电一声换能器是高频功率信号发生器的负载。

对功率信号发生器的性能指标要求取决于换能器的中心振荡频率、阻抗、驱动功率等。

系统的中心频率处其衍射效率最高，声光偏转器和声光调制器应该在中心频率附近工作。

熟悉实验仪器，严格遵守使用要求，掌握系统调节方法。

打开激光器，预热15min。

（一）拉曼声光衍射
1．Raman拉曼声光器件的中心工作频率：15－40MHZ
1）通过调整使He-Ne激光束平行于工作台面，然后扩束、准直后照射到该器件上。

2）确认双路直流稳压电源的开关处3080104841于“关闭”状态，将电流旋钮逆时针调至最小。

将来自双路直流稳压电源左端输出的鳄鱼夹正极（+）接在拉曼器件驱动电源的串芯上
鳄鱼夹负极（-）接在拉曼器件驱动电源的焊片上正负极不能接反，否则烧坏价值4千元的声光器件及驱动电源。

在声光器件驱动电源的RF端接上Raman声光器件。

3）检查所有连接无误后，按下直流稳压电源的开关，上、下、左、右（平移、旋转或倾斜）调整声光器件，直至在墙面上出现明显的、左右对称分布的多点衍射光斑，这说明He-Ne激光已正入射在器件上。

2．实验内容：
1）观察屏上衍射分布，并记录；
2）声光器件后面光路中加入短焦透镜，调整使得墙面上出现清晰的声光栅象（实验报告可画示意图）。

3）光功率计、坐标纸屏在频谱面（550mm透镜焦面上）测量各谱点的分布，求出相应级次的衍射角及相对强度，求出声波波长（光栅栅距）。

（二）布拉格声光衍射
1．布拉格声光调制。

布拉格声光器件的中心工作频率：100MHZ
1）确认双路直流稳压电源的开关处于“关闭”状态，将电流旋钮逆时针调至最小。

将来自双路直流稳压电源右端的数据线接在声光器件驱动电源的0－5V端
将来自双路直流稳压电源左端的鳄鱼夹正极（+）接在布拉格线性调制驱动电源的串芯上
鳄鱼夹负极（-）接在布拉格线性调制驱动电源的焊片上正负极不能接反，否则烧坏价值4千元的声光器件及驱动电源。

在布拉格线性调制驱动电源的RF端接上布拉格声光器件。

2）检查所有连接无误后，按下直流稳压电源的开关，将双路直流稳压电源的左端和右端的输出电压分别调至24V、3V，上、下、左、右（平移、旋转或倾斜）调整声光器件，直至在墙面上只得到两个亮点：0级和1级衍射点，且1级衍射光斑很亮。

这说明以Q布入射，已出现布拉格衍射。

注意：*）电源电压不得超过24V，线性电压不得超过+5V。

*）电源开启前必须接上声光器件。

3) 实验内容：调节0～5V电源，随着电压从0逐渐升高，声光衍射的1级光强也随之增高，测量输出光
强与所加电压的关系曲线，完成直流信号调制特性测试。

由于使用了线性声光调制器，布拉格1级衍
射光强I 1随控制电压U 呈正弦平方规律变化。

作出I 1—U 关系曲线，给出一级衍射光强最大时控制电压及线性调制的偏压值。

2． 布拉格声光偏转。

布拉格声光器件的中心工作频率：100MHZ
1）关闭直流稳压电源开关，用布拉格偏转驱动电源（即宽带高频放大器）换下线性调制器。

将来自双路直流稳压电源左端的鳄鱼夹正极（+）接在布拉格偏转驱动电源的串芯上 鳄鱼夹负极（-）接在布拉格偏转驱动电源的焊片上 正负极不能接反，否则烧坏价值4千元的声光器件及驱动电源。

2）将布拉格声光器件接在布拉格偏转驱动电源的输出端RF 上，将高频信号发生器输出端接在布拉格偏转驱动电源的输入端VI 上。

3) 调整高频信号发生器频率旋钮，先将频率固定在100MHz ，调出布拉格衍射现象，然后在系统中输入功率不变，入射角不变时，改变频率（40MHZ ～140MHZ ），观察布拉格1级衍射光斑在光屏上位置的变化，每隔10MHz 测量一次衍射角，并绘制衍射角θ与声波频率f s 的关系曲线。

四、实验结果记录、数据分析处理
五、思考题
1、为什么声光器件看做是一个相位型衍射光栅？
2、声光衍射系统为什么有一个衍射效率最高的中心频率，中心频率由哪些因素决定？
3、试述声光衍射器件的应用。

六、实验中遇到的问题，心得体会，意见和建议（写得好有加分）
布拉格线性调制原理示意图 布拉格偏转原理示意图。