声光调制实验
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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。
(2) 调节激光器尾部的夹持螺钉,使激光束的光点保持在接收器的塑盖中心位置上(去