聲光效應(yīng)實(shí)驗(yàn)

1、.聲光效應(yīng)實(shí)驗(yàn)一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?理解聲光效應(yīng)的原理，了解RamamNath衍射和Bragg衍射的分別。2測(cè)量聲光器件的衍射效率和帶寬等參數(shù)，加深對(duì)概念的理解。3測(cè)量聲光偏轉(zhuǎn)的聲光調(diào)制曲線。4模擬激光通訊。二、 實(shí)驗(yàn)原理(一) 聲光效應(yīng)的物理本質(zhì)光彈效應(yīng)介質(zhì)的光學(xué)性質(zhì)通常用折射率橢球方程描述 Pockels效應(yīng)：介質(zhì)中存在聲場(chǎng)，介質(zhì)內(nèi)部就受到應(yīng)力，發(fā)生聲應(yīng)變，從而引起介質(zhì)光學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，這種變化反映在介質(zhì)光折射率的或者折射率橢球方程系數(shù)的變化上。在一級(jí)近似下，有 各向同性介質(zhì)中聲縱波的情況，折射率n和光彈系數(shù)P都可以看作常量，得其中應(yīng)變 表示在x方向傳播的聲應(yīng)變波，S0是應(yīng)變的幅值，是介質(zhì)中的聲

2、波數(shù)，為角頻率，vs為介質(zhì)中聲速，為聲波長(zhǎng)。P表示單位應(yīng)變所應(yīng)起的的變化，為光彈系數(shù)。又得 其中是“聲致折射率變化”的幅值。考慮如圖1的情況，壓電換能器將驅(qū)動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換成聲信號(hào)，入射平面波與聲波在介質(zhì)中（共面）相遇，當(dāng)光通過(guò)線度為l的聲光互作用介質(zhì)時(shí)，其相位改變?yōu)椋?其中為真空中光波數(shù)，是真空中的光波長(zhǎng)，為光通過(guò)不存在超聲波的介質(zhì)后的位相滯后，項(xiàng)為由于介質(zhì)中存在超聲波而引起的光的附加位相延遲。它在x方向周期性的變化，猶如光柵一般，故稱為位相光柵。這就是得廣播陣面由原先的平面變?yōu)橹芷谛缘奈幌嗫U折，這就改變了光的傳播方向，也就產(chǎn)生了所謂的衍射。與此同時(shí)，光強(qiáng)分布在時(shí)間和空間上又做重新分配，也就是衍射

3、光強(qiáng)受到了聲調(diào)制。 (二) 聲光光偏轉(zhuǎn)和光平移從量子力學(xué)的觀點(diǎn)考慮光偏轉(zhuǎn)和光頻移問(wèn)題十分方便。把入射單色平面光波近似看作光子和聲子。聲光相互作用可以歸結(jié)為光子和聲子的彈性碰撞，這種碰撞應(yīng)當(dāng)遵守動(dòng)量守恒和能量守恒定律，前者導(dǎo)致光偏轉(zhuǎn)，后者導(dǎo)致光頻移。這種碰撞存在著兩種可能的情況即聲子的吸收過(guò)程和聲子的受激發(fā)射過(guò)程，在聲子吸收的情況下，每產(chǎn)生一個(gè)衍射光子，需要吸收一個(gè)聲子。在聲子受激發(fā)射的情況下，一個(gè)入射聲子激發(fā)一個(gè)散射光子和另一個(gè)與之具有相同動(dòng)量和能量的聲子的發(fā)射。聲光效應(yīng)可劃分為正常聲光效應(yīng)和反常聲光效應(yīng)兩種。1、入射光和衍射光處于相同的偏振狀態(tài)，相應(yīng)的折射率相同，成為正常聲光效應(yīng)。2、入射光

4、處于某種偏振狀態(tài)，經(jīng)聲光作用，衍射光的偏振狀態(tài)變?yōu)榱硪环N偏振臺(tái)。成為反常聲光效應(yīng)。這里主要介紹正常聲光效應(yīng)。在正常聲光作用情況下，從而，有，稱為Bragg角，于是（Bragg條件）與描述X光晶格衍射的Bragg定律得對(duì)比，相當(dāng)于介質(zhì)中X光波長(zhǎng)，相當(dāng)于晶格常數(shù)，所以人們沿用這一名稱，成為Bragg條件。滿足Bragg條件是，只有唯一的衍射級(jí)，上移或下移，但不用時(shí)存在。 注意到衍射光相對(duì)于入色光的偏轉(zhuǎn)角 或 其中是與聲頻變化范圍相應(yīng)的衍射光掃過(guò)的角度。通常把衍射光強(qiáng)從極大值下降3dB所相應(yīng)的頻寬定義作半功率帶寬或Bragg帶寬，記作。此外還存在另一類所謂Raman-Nath衍射。相當(dāng)于一個(gè)入射光子

5、連續(xù)同幾個(gè)聲子相互作用的情形。有上標(biāo)（m）表示m級(jí)衍射，m取正，負(fù)整數(shù)值。同樣可近似認(rèn)為，于是有 Raman-Nath 衍射是多級(jí)衍射。從光柵角度來(lái)說(shuō)，Raman-Nath衍射，使當(dāng)超聲頻率較低，光線平行于聲波面入射時(shí)，當(dāng)光波通過(guò)聲光介質(zhì)時(shí)，幾乎不經(jīng)過(guò)聲波波面，因此它只受到相位調(diào)制，聲波的作用可視為一個(gè)平面相位光柵。故平行入射光束通過(guò)時(shí)，將產(chǎn)生多級(jí)衍射光。而B(niǎo)ragg衍射，是當(dāng)超聲頻率較高，聲光作用長(zhǎng)度L較大，而且光束與聲波面間以一定角度寫入射，光波在介質(zhì)中要穿過(guò)多個(gè)聲波面，故介質(zhì)具有體光柵的性質(zhì)不能用平面相位光柵來(lái)描述。三、 實(shí)驗(yàn)裝置圖圖4 聲光效應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置圖圖5 聲光模擬通信實(shí)驗(yàn)裝置圖四、

6、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1. 認(rèn)真閱讀聲光效應(yīng)儀的說(shuō)明書，正確連接各個(gè)部件。調(diào)節(jié)激光器和聲光晶體至布拉格衍射最佳位置。時(shí)間：2012/11/8 14:30-14:45實(shí)驗(yàn)記錄：a) 將CCD光電盒同步接口接到示波器外觸發(fā)接口，輸出接口接到示波器CH1通道接口；b) 將聲光功率信號(hào)源輸出口接到聲光晶體，測(cè)頻接口與頻率計(jì)相連；c) 打開(kāi)激光器電源，進(jìn)行光路調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)CCD，聲光晶體，激光器等高；使聲光晶體與CCD距離盡量遠(yuǎn)；使激光從聲光晶體盒子前孔進(jìn)入，后孔射出，并最終射入CCD光電盒子接收口。d) 打開(kāi)聲光功率信號(hào)源電源，輸出超聲波至聲光晶體。適當(dāng)增大激光器功率，使光斑清晰可見(jiàn)，在CCD與聲光晶體間放置一紙板

7、，觀察衍射圖樣。調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)角平臺(tái)至從紙板上觀察到最亮的1級(jí)亮斑（+1或1）。e) 降低激光器功率，打開(kāi)各儀器電源，關(guān)閉聲光信號(hào)源輸出，調(diào)節(jié)示波器與激光功率，在屏幕中得到完整的，清晰的單峰。打開(kāi)聲光信號(hào)源輸出，單峰變?yōu)閮蓚€(gè)峰。稍微調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)，使1級(jí)對(duì)應(yīng)的峰達(dá)到最大。2. 調(diào)出布拉格衍射，對(duì)示波器定標(biāo)。時(shí)間：2012/11/8 15:15-15:24實(shí)驗(yàn)記錄：a) 在環(huán)境光較強(qiáng)的情況系，示波器上可以觀察到，在CCD兩次信號(hào)之間有缺口，選取上一個(gè)接口的右端到下一個(gè)接口的左端為CCD在示波器上對(duì)應(yīng)的距離。b) 在示波器上觀察到對(duì)應(yīng)CCD全象元N=2700的t=1.562ms。已知CCD參數(shù)象元中心間距為

8、11m。實(shí)驗(yàn)總結(jié)：根據(jù)上述測(cè)量，可計(jì)算得，對(duì)應(yīng)示波器上橫坐標(biāo)的單位長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)實(shí)際距離為：3. 在布拉格衍射條件下測(cè)量衍射光相對(duì)于入射光的偏轉(zhuǎn)角與超聲波頻率f的關(guān)系曲線，并計(jì)算聲速v。測(cè)出五組（，f）。時(shí)間：2012/11/8 15:24-15:38實(shí)驗(yàn)記錄：a) 測(cè)量聲光晶體到CCD距離（作用距離）L=（520+4）mm=524 mm。b) 查閱實(shí)驗(yàn)參數(shù)得，聲光晶體折射率n=2.386。激光器波長(zhǎng)=650 nm。c) 為得到偏轉(zhuǎn)角與超聲波頻率f的關(guān)系曲線，需要測(cè)量不同頻率下示波器上0級(jí)跟1級(jí)對(duì)應(yīng)的峰的間距。數(shù)據(jù)記錄如下表。表1 超聲頻率及對(duì)應(yīng)偏轉(zhuǎn)角實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表實(shí)驗(yàn)次數(shù)12345頻率f/MHz78.

9、982.894.5107.3114.7t/ms0.3920.4140.4720.5340.574d) 把表1數(shù)據(jù)代入根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容2得到的示波器定標(biāo)關(guān)系，可得0級(jí)1級(jí)衍射光實(shí)際距離。e) 已知作用距離L=524mm，與各頻率對(duì)應(yīng)的D，可以計(jì)算各頻率對(duì)應(yīng)的偏轉(zhuǎn)角。在小角度近似下。故由光斑實(shí)際距離D和作用距離L可得空氣中出射光線的夾角為。由于光經(jīng)過(guò)布拉格衍射后，出射晶體時(shí)會(huì)發(fā)生折射。有方程小角度近似下，可看作。計(jì)算結(jié)果記入表2。表2實(shí)驗(yàn)次數(shù)12345頻率f/MHz78.982.894.5107.3114.70、1級(jí)實(shí)際距離/mm7.4537.8728.97710.15310.914偏轉(zhuǎn)角度/5.96

10、26.2967.1788,1218.729f) 由表2數(shù)據(jù)可作出下圖圖6 偏轉(zhuǎn)角-頻率f關(guān)系曲線對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，擬合曲線如圖6，擬合輸出結(jié)果如下：圖7 -f線性擬合結(jié)果擬合曲線為：相關(guān)系數(shù)R=0.999581，可見(jiàn)偏轉(zhuǎn)角與超聲波頻率線性關(guān)系非常好。g) 根據(jù)上述各步驟結(jié)果，計(jì)算聲速。聲速為：與理論值3603m/s對(duì)比，實(shí)驗(yàn)誤差為4. 布拉格衍射下，固定超聲波功率，測(cè)量1級(jí)衍射光與零級(jí)衍射光的相對(duì)強(qiáng)度與超聲波頻率的關(guān)系曲線。并定出聲光器件的中心頻率（1級(jí)衍射光最強(qiáng)時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率）和帶寬（衍射光強(qiáng)從極大值下降到一半對(duì)應(yīng)的頻寬）。要測(cè)量10點(diǎn)以上。時(shí)間：2012/11/8 15:39-16:2

11、0實(shí)驗(yàn)記錄：a) 調(diào)節(jié)超聲波功率信號(hào)源頻率，功率會(huì)隨之改變。具體變化情況為，頻率增大，功率減少；反之，頻率減少，功率增大。為確保調(diào)節(jié)頻率期間，功率能保持不變，須設(shè)定一功率在最高頻率（約120MHz）與最低頻率（約80MHz）均能調(diào)節(jié)得到。此處選取P=64(mA)。b) 固定超聲波功率，調(diào)節(jié)頻率120.6（MHz）,微調(diào)聲光固體轉(zhuǎn)角平臺(tái)角度，使得布拉格衍射效率較高。c) 開(kāi)始測(cè)量，從120（MHz）到80(MHz)間均勻取值，記錄表3。d) 實(shí)驗(yàn)過(guò)程發(fā)現(xiàn)，從示波器的波形中可以明顯看出，激光信號(hào)幅值有變化。故改進(jìn)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)直接以1級(jí)衍射光強(qiáng)度進(jìn)行分析改為對(duì)1級(jí)衍射相對(duì)于1級(jí)衍射與0級(jí)衍射

12、的和的比值進(jìn)行研究。表3實(shí)驗(yàn)次數(shù)12345678910f（MHz）120.6115.6111.4105.5100.595.190.286.982.078.9（V）2.542.041.871.761.752.022.202.603.203.65（V）0.460.570.751.311.991.821.701.400.950.760.180.280.400.741.140.900.730.540.300.21數(shù)據(jù)分析：a) 表3數(shù)據(jù)作圖如下：圖8根據(jù)數(shù)據(jù)點(diǎn)分布以及聲光器件工作特性，聲光器件衍射能力于中心頻率處最大，然后向兩邊頻率衰減，半峰高寬定義為帶寬。因此認(rèn)為聲光器件衍射與頻率之間關(guān)系符合高斯分

13、布。故選用高斯函數(shù)對(duì)之進(jìn)行擬合。擬合曲線如圖8，擬合結(jié)果如下：表4 圖8擬合結(jié)果b) 由表4擬合結(jié)果可以知道，相關(guān)系數(shù)R=0.984與1非常接近，說(shuō)明擬合程度相當(dāng)好，證明關(guān)于聲光器件衍射能力與超聲波頻率之間關(guān)系符合高斯分布的假設(shè)合理。其次，根據(jù)擬合結(jié)果，可以讀出實(shí)驗(yàn)所用聲光器件的參數(shù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果：i. 中心頻率為：98.265 MHzii. 帶寬為：24.99 MHzc) 實(shí)驗(yàn)誤差分析：實(shí)驗(yàn)結(jié)果作圖采用高斯函數(shù)進(jìn)行擬合，在低頻和高頻部分，擬合結(jié)果與數(shù)據(jù)偏差較小，但越接近中心頻率，偏差越大。有下圖：圖9分析認(rèn)為有三部分原因：i. 是數(shù)據(jù)采集過(guò)程，由于儀器限制，頻率取值間隔不能做到太小，使得數(shù)據(jù)點(diǎn)不

14、夠多，可能造成其中誤差被放大。ii. 由于實(shí)驗(yàn)激光器不能做到理想的功率恒定，采用以1級(jí)衍射強(qiáng)度與0級(jí)和1級(jí)衍射強(qiáng)度和的比值來(lái)衡量衍射相同超聲功率下的衍射效率的改變，存在一定誤差，原因在于出射光并不僅有水平方向的1級(jí)衍射亮斑。該現(xiàn)象可直接用紙板作光屏直接觀測(cè)到。iii. 高斯分布與聲光器件工作原理有一定偏差。偏差主要集中在中心頻率附近。5. 布拉格衍射下，將超聲波頻率固定在中心頻率上，測(cè)量衍射光強(qiáng)度與超聲波功率的關(guān)系曲線。時(shí)間：2012/11/8 16:20-16:49實(shí)驗(yàn)記錄：a) 保持超聲信號(hào)源頻率不變，改變功率，發(fā)現(xiàn)信號(hào)源頻率并不隨之改變。但如前所述，改變頻率時(shí)，功率會(huì)發(fā)生變化，為了測(cè)量全

15、功率范圍，實(shí)驗(yàn)頻率不宜選擇太高。此處選擇頻率f=95.7 MHz。b) 測(cè)量數(shù)據(jù)如下表：表5實(shí)驗(yàn)次數(shù)12345678910111213P（mA）817876747275040（V）2.852.712.642.542.462.172.041.931.731.441.200.800.40（V）0.820.931.081.201.351.631.761.932.162.542.803.384.39數(shù)據(jù)分析：a) 由表5作得下圖：圖10 圖中做出不同超聲波功率下，0級(jí)與1級(jí)衍射光強(qiáng)。并根據(jù)其分布，采用線性擬合，有如下擬合結(jié)果：注：表中B為I1擬合結(jié)果，C為I0擬合結(jié)果。表6 圖10擬合結(jié)果由此擬合結(jié)果

16、可知，超聲波功率與衍射效率呈正相關(guān)。此處表現(xiàn)為，超聲波功率與0級(jí)衍射光強(qiáng)度成反比，與1級(jí)衍射光強(qiáng)度成正比。具體有：b) 誤差分析：實(shí)驗(yàn)中超聲波信號(hào)源功率采用直接從信號(hào)源面板指針讀取，面板指針精度較低，故數(shù)據(jù)可能存在較大誤差。c) 實(shí)驗(yàn)采用超聲波功率信號(hào)源信號(hào)功率調(diào)節(jié)范圍有限，在此功率范圍內(nèi)，可知功率越高，衍射效率越高。但不能得知所用聲光器件對(duì)功率的響應(yīng)范圍，即不能得知聲光器件正常工作的功率范圍。d) 從已知范圍內(nèi)分析可知，超聲功率過(guò)小不會(huì)造成聲光器件的損壞，只會(huì)導(dǎo)致聲光晶體內(nèi)聲波數(shù)太少，即如聲光效應(yīng)模型中，晶體內(nèi)聲波波陣面太過(guò)稀疏，導(dǎo)致衍射強(qiáng)度太低，不能正常工作。e) 其次，功率太大，不僅可能

17、對(duì)聲光晶體造成損壞，因?yàn)槌暪β蔬^(guò)高可能導(dǎo)致晶體內(nèi)部應(yīng)力太大致使形變不能恢復(fù)；若在不造成損壞，將會(huì)由于晶體內(nèi)聲波波數(shù)太多，即模型中，晶體內(nèi)聲波波陣面太多，與光柵進(jìn)行類比，認(rèn)為將會(huì)導(dǎo)致衍射光斑太細(xì)，太弱，使得聲光器件作為光開(kāi)關(guān)失效。6. 測(cè)定布拉格衍射下的最大衍射效率I1/I0。其中I0為未發(fā)生聲光衍射時(shí)的0級(jí)光的強(qiáng)度，I1為1級(jí)光的強(qiáng)度。時(shí)間：2012/11/8 16:49-17:20實(shí)驗(yàn)記錄：a) 如前所述，由于激光器功率不穩(wěn)定，采用1級(jí)衍生光強(qiáng)和0級(jí)衍射光強(qiáng)的總和作為入射光強(qiáng)度。b) 根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容4,5選擇在頻率等于中心頻率98.25MHz后功率調(diào)至最大值。此時(shí)功率最大值只有74mA。c)

18、 稍微降低頻率，信號(hào)源功率上升，此時(shí)發(fā)現(xiàn)1級(jí)衍射增強(qiáng)。故保持功率最大，調(diào)節(jié)頻率，尋找極大點(diǎn)。得頻率97.5 MHz，功率78mA使，衍射效率達(dá)到最大。此時(shí)1級(jí)衍射光強(qiáng)為2.75V，0級(jí)衍射光強(qiáng)0.7V。計(jì)算得衍射效率：d) 不難發(fā)現(xiàn)，與理論上計(jì)算有一定出入。理論計(jì)算得知，聲光器件發(fā)生布拉格衍射的時(shí)候，衍射效率可以達(dá)到100%，原因分析有以下幾點(diǎn)：i. 實(shí)驗(yàn)中所用聲光儀器外殼設(shè)置光入射和出射的小孔孔徑太小，導(dǎo)致聲光晶體有效旋轉(zhuǎn)角度較低，使得不一定能調(diào)到最適合發(fā)生布拉格衍射的角度。ii. 同樣是儀器原因，在聲光晶體中心頻率時(shí)，超聲波功率信號(hào)源功率并不能達(dá)到足夠高，使得在此次實(shí)驗(yàn)中，衍射效率極大值并

19、沒(méi)有出現(xiàn)在中心頻率上。而且衍射效率也遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到100%。iii. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果卻稍微超過(guò)了實(shí)驗(yàn)說(shuō)明中給出的，此實(shí)驗(yàn)裝置大概可以達(dá)到70%以上的衍射效率。一部分原因在于單純以0級(jí)衍射光強(qiáng)與1級(jí)衍射光強(qiáng)代替入射光強(qiáng)使得入射光強(qiáng)計(jì)算值比實(shí)際值要小，從而增大了衍射效率。另一部分原因則是由于CCD與出射衍射光斑連線不平行造成的。此部分在實(shí)驗(yàn)報(bào)告最后進(jìn)行說(shuō)明。7. 在喇曼-納斯衍射下（光束垂直入射，調(diào)節(jié)+1級(jí)與-1級(jí)衍射強(qiáng)度相等），測(cè)量衍射角qm，并與理論值比較。時(shí)間：2011/11/15 14:30-15:00實(shí)驗(yàn)記錄：a) 第二周實(shí)驗(yàn)，重新連接好儀器，并調(diào)出喇曼-納斯衍射。由于所用激光器光束半徑較大，使

20、用較高頻率時(shí)，對(duì)垂直入射要求很高，而且激光是高斯光束球面波，喇曼-納斯調(diào)出較難。故選用較低頻率80.51MHz進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。b) 以紙板接收到兩邊一級(jí)衍射亮度基本相同為依據(jù)進(jìn)行粗調(diào)，后根據(jù)示波器上+1和-1級(jí)衍射光強(qiáng)度進(jìn)行微調(diào)。c) 測(cè)量作用距離L-521mm，示波器上讀得，當(dāng)+1和-1級(jí)衍射光強(qiáng)度相等，0級(jí)與1級(jí)時(shí)間間隔為t=0.400ms。超聲波頻率為80.51MHz。數(shù)據(jù)處理：類似于實(shí)驗(yàn)內(nèi)容3的數(shù)據(jù)處理方法，先求得0級(jí)與1級(jí)在CCD上的實(shí)際距離 D=7.6056mm。求空氣中衍射光線的夾角，在小角度近似下有實(shí)際衍射角計(jì)算理論值，由前文實(shí)驗(yàn)原理中可知，喇曼-納斯衍射角滿足：。其中，為超聲波波長(zhǎng)

21、。在小角度近似下可得實(shí)驗(yàn)值與理論值的相對(duì)誤差為：8. 在喇曼-納斯衍射下，在聲光器件的中心頻率上測(cè)定1級(jí)衍射光的衍射效率，并與布喇格衍射下的最大衍射效率比較。時(shí)間：2012/11/15 15:00-16:00實(shí)驗(yàn)記錄：a) 如實(shí)驗(yàn)內(nèi)容7中所述，為降低喇曼-納斯衍射調(diào)節(jié)難度，不選用中心頻率進(jìn)行測(cè)量，而是選用較低頻率80.51MHz進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，此時(shí)功率P=98W。b) 調(diào)出喇曼-納斯衍射后，測(cè)得1級(jí)衍射強(qiáng)度,0級(jí)衍射強(qiáng)度 。數(shù)據(jù)分析：先不考慮數(shù)據(jù)可靠性，單從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)出發(fā)，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的喇曼-納斯衍射效率為：所得效率與理論最大值34%相當(dāng)接近，同時(shí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于中心頻率下測(cè)得的布拉格衍射效率79.7%。下面考查

22、結(jié)果的可靠性：a) 對(duì)于不同頻率下工作的同一個(gè)聲光器件，定量比較兩者的衍射效率是沒(méi)有意義的，因?yàn)閷?duì)于同樣的入射條件，不同頻率對(duì)應(yīng)的衍射效率將會(huì)不一樣，正如前面實(shí)驗(yàn)內(nèi)容得出的聲光器件工作曲線，聲光器件存在最佳工作頻率。但由于布拉格衍射效率79.7%遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于喇曼-納斯衍射效率33.8%，使得定性比較存在意義。意義在于證實(shí)，布拉格衍射效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于喇曼-納斯衍射效率的理論結(jié)果。b) 衍射光斑連線與CCD接收口不絕對(duì)平行，導(dǎo)致以示波器為依據(jù)調(diào)節(jié)出來(lái)的喇曼-納斯衍射并不是符合垂直入射。詳細(xì)將在報(bào)告最后討論。9. 進(jìn)行聲光模擬通信實(shí)驗(yàn)。觀測(cè)0級(jí)和1級(jí)信號(hào)的波形，是同相還是反相。改變超聲波功率，注意觀察模擬通

23、信接收器的音樂(lè)變化，分析原因。時(shí)間：2012/11/15 16:00-17:00實(shí)驗(yàn)記錄：a) 按圖5連接實(shí)驗(yàn)儀器。模擬信號(hào)接收器發(fā)出與模擬信號(hào)發(fā)送器相同的音樂(lè)。示波器上觀察到跟隨音樂(lè)變化的波形。b) 光電池對(duì)準(zhǔn)0級(jí)衍射光點(diǎn)，示波器上觀察到發(fā)送器波形與接收器波形同相。調(diào)節(jié)超聲波功率，功率變大，聲音減弱。功率變小，聲音變大。c) 光電池對(duì)準(zhǔn)1級(jí)衍射光點(diǎn)，示波器上觀察到發(fā)送器波形與接收器波形反相。調(diào)節(jié)超聲波功率，功率變大，聲音變大。功率變小，聲音減弱。d) 固定功率調(diào)節(jié)頻率，可得音量與頻率的關(guān)系。但由于調(diào)節(jié)頻率時(shí)，功率會(huì)跟隨變化，人耳分辨能力較差，不能在把功率調(diào)節(jié)回到固定功率后明確分辨出音量變化。

24、實(shí)驗(yàn)分析：a) 從前面的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容可以知道，超聲信號(hào)源功率變大時(shí)，聲光器件衍射效率會(huì)增大，使得0級(jí)衍射光減弱，1級(jí)衍射光增強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)中，模擬信號(hào)接收器以光電池為接受源，入射光強(qiáng)增大，信號(hào)強(qiáng)度變大，音量變大，反之音量則變小。b) 實(shí)驗(yàn)中采用模擬信號(hào)發(fā)送器對(duì)超聲功率信號(hào)源進(jìn)行控制，保持信號(hào)源設(shè)定功率不變，信號(hào)源輸出功率將受到模擬信號(hào)發(fā)送器的控制。從示波器上可以觀測(cè)到發(fā)送器的波形，確定時(shí)刻下，波形為一定頻率的方波信號(hào)。方波的上升沿代表發(fā)送器加載到信號(hào)源的調(diào)制電壓。經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換，信號(hào)源的輸出功率應(yīng)與之成正相關(guān)。c) 根據(jù)a)中分析，功率越大，0級(jí)衍射光減弱，即光電池接受到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)之后，應(yīng)該具有與發(fā)

25、送器反相的方波。功率越大，1級(jí)衍射光越強(qiáng)，同理應(yīng)出現(xiàn)與發(fā)送器同相的方波。而實(shí)際實(shí)驗(yàn)過(guò)程中觀測(cè)到的卻是0級(jí)為同相，1級(jí)為反相，與分析結(jié)果剛好相反。認(rèn)為是模擬信號(hào)接收器主要應(yīng)用于光強(qiáng)較強(qiáng)的0級(jí)衍射，故采用了反相措施，使對(duì)應(yīng)0級(jí)衍射的時(shí)候可以得到與發(fā)送器相同的結(jié)果。d) 若要c)中分析，應(yīng)直接把光電池盒的信號(hào)直接接到示波器上進(jìn)行觀察。而對(duì)于頻率與音量的關(guān)系，理論上應(yīng)為音量在最佳頻率處達(dá)到最大。但缺乏實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證?？梢允褂靡袅刻綔y(cè)儀器對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)補(bǔ)充。五、 關(guān)于接收器與衍射光連線不平行問(wèn)題的研究問(wèn)題發(fā)現(xiàn)：在進(jìn)行喇曼-納斯衍射相關(guān)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，先用紙板對(duì)轉(zhuǎn)角平臺(tái)進(jìn)行粗調(diào)，得光束基本垂直入射聲光晶體，+1級(jí)和

26、-1級(jí)衍射光斑亮度基本一致。再根據(jù)示波器上信號(hào)進(jìn)行微調(diào)，發(fā)現(xiàn)信號(hào)CCD接收到的+1級(jí)和-1級(jí)光強(qiáng)相差較大，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)角平臺(tái)，使得兩者基本強(qiáng)度一致后發(fā)現(xiàn)：a) 衍射效率極低，即+1級(jí)和-1級(jí)衍射光強(qiáng)度相對(duì)于0級(jí)光強(qiáng)十分微弱，調(diào)節(jié)超聲波功率并沒(méi)有明顯改善。b) 用紙板進(jìn)行觀察，+1和-1衍射光斑亮度有明顯差別。c) 肉眼可以分辨入射光束與聲光晶體成一定角度。光強(qiáng)明顯不一致，卻能在CCD上得到相同強(qiáng)度的信號(hào)。水平移動(dòng)CCD，結(jié)果沒(méi)有改變，排除CCD某些像點(diǎn)異常工作可能。因此認(rèn)為是衍射光斑連線與CCD接收孔不平行造成。問(wèn)題原因：從原理上看，衍射光偏轉(zhuǎn)方向應(yīng)為超聲波波陣面的法線方向，即衍射發(fā)生在超聲波的傳播

27、方向與入射光所處平面。故可認(rèn)為衍射光斑連線就是超聲波傳播方向。儀器為制作調(diào)試方便，應(yīng)使超聲波沿水平方向通過(guò)聲光晶體，再使CCD接收孔保持水平，從而保證兩者平行。因此，造成與CCD接收孔不平行有兩方面可能，一是CCD接收孔沒(méi)有水平，其次便是超聲波方向不水平。檢查儀器，認(rèn)為主要原因是聲光器件所在轉(zhuǎn)角平臺(tái)不水平造成的。轉(zhuǎn)角平臺(tái)構(gòu)造為上下兩塊圓盤，圓盤中間有軸。在一半的圓盤中設(shè)有微調(diào)角度的裝置，而另一側(cè)則為懸空。加上懸空一側(cè)為超聲波輸入線接口一側(cè)。缺少支撐加上超聲波輸入線的重力作用，使得平臺(tái)向該側(cè)稍微傾斜。下面討論此問(wèn)題對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響與實(shí)驗(yàn)改進(jìn)方案：布拉格衍射部分：實(shí)驗(yàn)中需要用到衍射光強(qiáng)度的分別為實(shí)

28、驗(yàn)內(nèi)容4與實(shí)驗(yàn)內(nèi)容6。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容4：需要固定超聲波功率，改變超聲波頻率，從而確定聲光器件的中心頻率以及帶寬。改變超聲波頻率會(huì)導(dǎo)致衍射光偏轉(zhuǎn)角度改變。從實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 1 的結(jié)果中可知，超聲波頻率越高，衍射光偏轉(zhuǎn)角度越大，即落在CCD上的0級(jí)衍射光與1級(jí)衍射光空間距離變遠(yuǎn)。為方便討論，作以下假設(shè)：i. CCD象元對(duì)同一光斑在不同偏離程度的響應(yīng)應(yīng)服從高斯分布。由于偏離程度很小，即局限于高斯分布峰值附近，近似為兩系數(shù)為相反數(shù)的一次函數(shù)，合并為同一函數(shù)且系數(shù)k為大于0的較小量，為中心位置。ii. 超聲波傳播方向與CCD成一小角度。iii. 聲光器件工作頻率曲線為高斯型。iv. CCD接收序列為水平方向。注意：

29、假設(shè)i只是為討論方便進(jìn)行的假設(shè)，實(shí)際上只需要利用CCD象元關(guān)于上下偏移具有對(duì)稱響應(yīng)，以及響應(yīng)效率隨偏移量增大而降低這兩個(gè)特點(diǎn)。由實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 1 的結(jié)果可以知道，CCD上測(cè)量到的實(shí)際距離與頻率成正比。再根據(jù)假設(shè) ii，在小角度近似下，可將假設(shè) i 中的 h 對(duì)應(yīng)成超聲波頻率。改寫假設(shè) i 的關(guān)系式為令超聲波傳播方向與CCD序列交點(diǎn)恰好是0級(jí)衍射光斑處。如圖11此時(shí)，此時(shí)為0。0級(jí)衍射指向1級(jí)衍射方向恰好是響應(yīng)衰減方向。即測(cè)量結(jié)果低頻部分更接近真實(shí)值，高頻部分則響應(yīng)較低。示波器上觀察到的強(qiáng)度為衍射光強(qiáng)與響應(yīng)效率的乘積，根據(jù)響應(yīng)效率的變化規(guī)律以及假設(shè)iii，所得到圖像應(yīng)為一個(gè)強(qiáng)度對(duì)于頻率的形變了的高斯

30、分布。從低頻到高頻與真實(shí)值相差越來(lái)越小。由于在最佳頻率附近光強(qiáng)變化十分平和，響應(yīng)效率R的存在會(huì)使得中心頻率偏向低頻部分。得到的圖像是中心頻率稍微左偏，左側(cè)平均要比右側(cè)要稍高，而且由于左側(cè)是上升部分，上升將變得平和，因?yàn)镽在減小。中心頻率右側(cè)為下降，同樣由于R在減小，下降將稍微更加劇烈。對(duì)于小于測(cè)量范圍最低頻率的均有類似結(jié)論，如圖12 （a）同樣的分析，用于當(dāng)R中中心頻率與聲光器件中心頻率相同時(shí)，可得圖像依舊為一正態(tài)分布。如圖12 (b)而對(duì)于交點(diǎn)為一級(jí)衍射大于測(cè)量范圍的最大頻率，可得到與小于最小頻率時(shí)的圖像對(duì)稱的圖像。圖像特點(diǎn)為，中心頻率向右偏移，中心頻率左側(cè)上升較快，右側(cè)下降較慢，如圖13

31、（c）而當(dāng)落在測(cè)量范圍中（除中心頻率），可用對(duì)應(yīng)的R與正態(tài)分布曲線相乘進(jìn)行定性研究。(a)(b)(c)圖13綜上，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容4目的是測(cè)量聲光器件的中心頻率和帶寬，為得出更為準(zhǔn)確的結(jié)果，我認(rèn)為應(yīng)該選擇交點(diǎn)恰好對(duì)應(yīng)聲光器件中心頻率的狀態(tài)進(jìn)行測(cè)量（忽略中心頻率的微量偏移）。具體實(shí)驗(yàn)步驟為，先將交點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)0級(jí)衍射光。即調(diào)出布拉格衍射后，調(diào)節(jié)CCD接收器的高度，使0級(jí)衍射光達(dá)到最強(qiáng)，此時(shí)超聲傳播方向與CCD序列的交點(diǎn)恰好為0級(jí)衍射光斑。進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到中心頻率。保持功率不變將頻率調(diào)節(jié)為中心頻率。再調(diào)節(jié)CCD接收器高度，使得1級(jí)衍射光達(dá)到最大。再重新進(jìn)行測(cè)量，可得出較為對(duì)稱理想的圖像結(jié)果。帶寬確認(rèn)也更為方便。事

32、實(shí)上，由于CCD象元響應(yīng)效率并不隨偏離程度均勻變化，若要考慮中心頻率的偏移，將無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)出中心頻率。實(shí)際操作中超聲波功率信號(hào)源頻率與功率的精度以及實(shí)驗(yàn)操作的精度也比較低，所以忽略這部分偏移是合理的。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容5,6：由于實(shí)驗(yàn)均是在恒定頻率下進(jìn)行對(duì)0級(jí)以及1級(jí)衍射光強(qiáng)度的測(cè)量。而實(shí)驗(yàn)需要得到的數(shù)據(jù)為1級(jí)衍射光相對(duì)于入射光的強(qiáng)度。而數(shù)據(jù)處理中均以進(jìn)行研究。根據(jù)之前對(duì)CCD響應(yīng)效率的近似，響應(yīng)效率R在兩側(cè)為鏡像對(duì)稱的一次函數(shù)。因此，若 (f為實(shí)驗(yàn)所用一級(jí)衍射光對(duì)應(yīng)頻率)，也即將衍射光斑連線與CCD連線交點(diǎn)設(shè)在0級(jí)與1級(jí)的中點(diǎn)時(shí)。相對(duì)于CCD，0級(jí)亮斑與1級(jí)亮斑有相同偏移量，響應(yīng)效率相同。綜上，提出改進(jìn)

33、方案。先調(diào)出布拉格衍射，調(diào)至所需頻率。調(diào)節(jié)CCD接收器高度，使得0級(jí)衍射光達(dá)到最大。記錄0級(jí)與1級(jí)衍射光強(qiáng)度。再調(diào)節(jié)CCD接收器高度，使得1級(jí)衍射光強(qiáng)度達(dá)到最大。記錄0級(jí)與1級(jí)衍射光強(qiáng)度。此時(shí)， 0級(jí)的相對(duì)變化量與1級(jí)的相對(duì)變化量應(yīng)該相同。取其中一個(gè)作為度量，調(diào)節(jié)CCD接收器高度，使之相對(duì)變化量為一半，此時(shí)，0級(jí)衍射光與1級(jí)衍射光的響應(yīng)效率相同。所得相對(duì)強(qiáng)度也更有定量分析意義。喇曼-納斯衍射喇曼-納斯衍射部分實(shí)驗(yàn)要求在已知頻率下測(cè)量其衍射效率。關(guān)鍵是要調(diào)出喇曼-納斯衍射。由于喇曼-納斯衍射要求垂直入射，得到強(qiáng)度相等的+1級(jí)和-1級(jí)衍射光，可以以此為調(diào)節(jié)依據(jù)。但由于存在衍射光斑連線與CCD序列不平行的問(wèn)題，必須使得+1級(jí)和-1級(jí)衍射光處于相同偏離量才能確定兩者強(qiáng)度相等。由于頻率固定的情況下，CCD上+1級(jí)和-1級(jí)衍射光與0級(jí)光的空間間距相等，故只需將衍射光斑連線與CCD序列交點(diǎn)設(shè)置在0級(jí)衍射處，+1級(jí)衍射光與-1級(jí)衍射光有