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与偏转特性。

【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与换能器两部分组成。

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 λλπλλπθ2242sin (5、1) 式中N 为衍射光的级数,λ、k 分别为入射光的波长与波数λπ2=
k ,s λ与K 分别为超声波的波长与波数s K λπ
2=。

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)的布拉格区。

满足布拉格衍射的条件就是:
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之与称为偏转角d θ(参见图5、4),由(5、2)式: s s B B i d F k K V 2λλλθθθθ====+= (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与光电接收器。

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
除盖子则光强指示最大),此后激光器与接收器的位置不宜再动。

4、 按系统连接方法将激光器、声光调制器、光电接收等组件连接到位。

5、 用所提供的电缆线分别将前面板的“调制监视”与“解调输出”插座与双踪示波器的Y Ⅰ、
Y Ⅱ输入端相连,移去接收器塑盖时,接收光强指示表应有读数。

6、将声光调制器的透光孔置于载物平台的中心位置,用压杆将调制器初步固定,然后使该滑
座在靠近激光管附近的导轨内就位。

7、调节载物平台的高度与转向,使激光束恰在声光调制器的透光孔中间穿过,再用压杆将声
光调制器紧固定。

载物平台的转向应在±10°以内。

8、将光电接收器前端的弹簧钢丝夹夹持住白色像屏。

二、实验现象观察及数据测量
1、观察声光调制的偏转现象
（1）调节激光束的亮度,使在像屏中心有明晰的光点呈现,此即为声光调制的0级光斑。

（2）打开载波选择开关,拨至“80MHz”的档级,调节“载波幅度”旋钮,此时80MHz的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的转向,以改变声光调制器的光点入射角,即可出现因声光调制而偏转的衍射光斑。

当一级衍射光最强时,声光调制器即运转在布拉格条
件下的偏转状态。

2、测试声光调制的幅度特性
（1）取去像屏,使激光束的0级光仍落在光敏接收孔的中心位置上。

（2）微调接收器滑座的测微机构,使接收孔横向移动到一级光的位置(监视“接收光强指示”表使其达最大值)。

（3）将载波选择开关拨至“80MHz”的档级,调节“载波幅度”旋钮,分别读出载波电压与接收光强的大小,画出光强～调制电压的关系曲线(I d ～U m)。

3、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”的步序,先将“载波选择”置于“关”的位置,记下接收器滑座横向测微计在0级时的读数d0。

（2）将“载波选择”开关置于Ⅰ与Ⅱ的位置,可以观察到1级光(或多级光)的平移变化现象。

4、测试声光调制频率偏转特性
（1）将“载波选择”开关置于Ⅰ与Ⅱ的位置,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的位置。

分别记下载波频率指示F 与测微计读数d 1。

待测得1级光与0级光点间的距离d 与声光调制器到接收孔之间的距离L(由导轨面上标尺读出)后,由于L ＞＞d,即可求出声光调制的偏转角:
L
d d ≈θ 画出偏转角——调制频率的关系曲线(θd ～F )。

（2） 测得各调制频率F 值所对应的衍射光强I d ,画出衍射光强～调制频率的关系曲线
(I d ～F),该曲线中的I d 峰值I dmax 应与中心频率相对应,而其与下降3dB 所对应的频率差即为声光调制器的带宽。

5、 测量声光调制器的衍射效率
衍射效率η定义为:o
d I I
=max η 即最大衍射光强I dmax 与0级光强I 0之比,分别测得最强衍射光与0级光的光强值,其比值即为衍射效率。

6、 测量超声波的波速
将超声波频率F (80MHz)、偏转角d θ与激光波长λ(630～680nm,可取650nm)各值代入公式d s F θλ
=V ,即可计算出超声波在介质中的传播速度s V 。

三、 声光调制与光通讯实验演示(可选做)
将音频信号(来自广播收音机、录音机、CD 机等音源)输入到本机的“外调输入”插座,将扬声器插入主控单元后面板的“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。

【实验数据处理与分析】
1、 测试声光调制的幅度特性
表5、1 声光调制幅度特性实验数据表
载波幅度U m(V) 0 0、5 1 1、5 2 2、5
一级衍射光光强I d0、15 0、17 0、58 1、06 1、75 2、37
载波幅度U m(V) 3 3、5 4 4、5 5 5、5
一级衍射光光强I d3、21 4、12 4、87 5、12 5、26 5、32
d m
2、测试声光调制频率偏转特性
零级光位置d0= 11、230mm ;
声光调制器与接收孔间的距离L= 46、0cm 。

表5、2 声光调制偏转角与调制频率实验数据表
载波频率F(MHz) 60 70 80 90 100 一级衍射光位置d1(mm)7、113 6、511 5、809 5、012 4、563 距离d=| d1 - d0 | 4、117 4、719 5、421 6、218 6、667
偏转角θd≈d/L 0、0089 0、0103 0、0118 0、0135 0、0145
d
表5、3 声光调制衍射光强与调制频率实验数据表
载波频率F(MHz) 60 70 80 90 100
一级衍射光光强I d0、77 0、89 1、25 2、73 0、82 作I d
3、测量声光调制器的衍射效率
最大衍射光强I dmax= 2、73A ;
0级光强I0= 5、13V ;
衍射效率η= 53、21% 。

4、 测量超声波的波速
超声波在介质中的传播速度s V = 403、3m/s 。

【实验注意事项】
1、 为防止强激光束长时间照射而导致光敏管疲劳或损坏,调节或使用后请随即用塑盖将光电
接收孔盖好。

2、 调节过程中必须避免激光直射人眼,以免对眼睛造成危害。

3、 调节半导体激光器功率时,不要用力过大而损坏功率调节旋钮。

4、 调节载物平台的转向应在±10°以内。

5、 实验数据的单位与精度要求:角度单位为rad,螺旋测微器与标尺都需要估读一位。

【实验思考题】
1、 叙述声光衍射的基本原理,说明布拉格衍射与喇曼-奈斯衍射的区别。

答:声光衍射基本原理:当声波在某介质中传播时,会随时间与空间的周期性发生弹性应变,造成介质密度的周期性变化。

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。

区别:布拉格衍射声光作用长度较长,超声波的频率较高,光束与声波波面之间以一定的角度斜入射;喇曼-奈斯衍射声光作用长度较短,超声波的频率较低,光波垂直于声场传播的方向。

2、 布拉格衍射有哪些条件,布拉格衍射条件对声光调制实验有何指导意义？
答:布拉格衍射条件就是:s
B F υλθ2sin = 式中,F 与s υ分别就是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,此时有最强的正一级(负一级)的衍射光出现。