聲光調(diào)制實驗講義

1、聲光調(diào)制實驗講義前言早在本世紀30年代就開始了聲光衍射的實驗研究。60年代激光器的問世為聲光現(xiàn)象的研究提供了良好的光源，促進了聲光效應理論和應用研究的迅速發(fā)展。聲光效應為控制激光束的頻率、方向和強度提供了一個有效的手段。利用聲光效應制成的聲光器件，如聲光調(diào)制器、聲光偏轉(zhuǎn)器和可調(diào)諧濾光器等，在激光技術(shù)、光信號處理和集成光通訊技術(shù)等方面有著重要應用。聲光效應已廣泛應用于聲學、光學和光電子學。近年來，隨著聲光技術(shù)的不斷發(fā)展，人們已廣泛地開始采用聲光器件在激光腔內(nèi)進行鎖膜或作為連續(xù)器件的Q 開關(guān)。由于聲光器件具有輸入電壓低驅(qū)動功率小、溫度穩(wěn)定性好、能承受較大光功率、光學系統(tǒng)簡單、響應時間快、控制方便等

2、優(yōu)點，加之新一代的優(yōu)質(zhì)聲光材料的發(fā)現(xiàn)，使聲光器件具有良好的發(fā)展前景，它將不斷地滿足工業(yè)、科學、軍事等方面的需求。 一.實驗目的1、了解聲光器件工作原理。2、掌握聲光相互作用原理。3、觀察布拉格衍射現(xiàn)象。4、研究聲光調(diào)制和聲光偏轉(zhuǎn)的特性。 二.實驗原理（一）激光調(diào)制技術(shù)的發(fā)展激光是一種光頻電磁波，具有良好的相干性，與無線電波相似，可以用來作為傳遞信息的載波。激光具有很高的頻率（約10131015Hz）可供利用的頻帶很寬，故傳遞信息的容量大。再有，光具有極短的波長和極快的傳遞速度，加上光波的獨立傳播特性，可以借助光學系統(tǒng)，把一個面上的二維信息以很高的分辨率瞬間傳遞到另一個面上，為二維并行光學信息處

3、理提供條件。所以激光是傳遞信息（包括語言、文字、圖象、符號等）的一種很理想的光源。要用激光作為信息的載體，就必須解決如何將信息加到激光上的問題，例如激光電話，就需要將語言信息加在于激光，由激光“攜帶”信息通過一定的傳輸通道（大氣、光纖等）送到接收器，再由光接收器鑒別并還原成原來的信息，從而完成通話的目的。這種將信息加載于激光的過程稱之為調(diào)制，完成這一過程的裝置成為調(diào)制器。其中激光成為載波，起控制作用的低頻信息稱為調(diào)制信號。激光光波的電場強度是ec=Accos(ct+c)，式中，Ac為振幅，c為角頻率，c為相位角。既然激光具有振幅、頻率、相位、強度、偏振等參量，如果能夠利用某種物理方法改變光波的

4、某一參量，使其按調(diào)制信號的規(guī)律變化，那么激光就受到了信號的調(diào)制，達到“運載”信息的目的。實現(xiàn)激光調(diào)制的方法很多，根據(jù)調(diào)制器和激光器的相對關(guān)系，可以分為內(nèi)調(diào)制和外調(diào)制兩種。內(nèi)調(diào)制是指加載調(diào)制信號是在激光振蕩過程中進行的，即以調(diào)制信號去改變激光器的振蕩參數(shù)，從而改變激光輸出特性以實現(xiàn)調(diào)制。例如，注入式半導體激光器是用調(diào)制信號直接改變它的泵浦驅(qū)動電流，使輸出的激光強度受到調(diào)制（這種方式也稱為直接調(diào)制）。還有一種內(nèi)調(diào)制方式是在激光諧振腔內(nèi)放置調(diào)制元件，用調(diào)制信號控制元件的物理特性的變化，以改變諧振腔的參數(shù)，從而改變激光器輸出特性。內(nèi)調(diào)制主要用在光通信的注入式半導體光源中。外調(diào)制是指激光形成之后，在激光

5、器外的電路上放置調(diào)制器，用調(diào)制信號改變調(diào)制器的物理特性，當激光通過調(diào)制器時，就會使光波的某參量受到調(diào)制。由于外調(diào)制的調(diào)整方便，而且對激光器沒有影響，同時外調(diào)制方式不受半導體器件工作速率的限制，故它比內(nèi)調(diào)制的調(diào)制速率高（約高一個數(shù)量級），調(diào)制帶寬要寬得多，所以在未來的高速率、大容量的光通信激光信息處理應用中，更受人們的重視。 激光調(diào)制技術(shù)為光通信、光信息處理等應用提供了很好的信息載波源，隨著各種調(diào)制技術(shù)的發(fā)展，特別是近十幾年來，國內(nèi)外對空間光調(diào)制器的研究和發(fā)展，大大推動了光通信、實時光信息處理、光計算、光存儲等應用技術(shù)的迅猛發(fā)展。（二）聲光調(diào)制的物理基礎(chǔ)1，彈光效應若有一超聲波通過某種均勻介質(zhì)，

6、介質(zhì)材料在外力作用下發(fā)生形變，分子間因相互作用力發(fā)生改變而產(chǎn)生相對位移，將引起介質(zhì)內(nèi)部密度的起伏或周期性變化，密度大的地方折射率大，密度小的地方折射率小，即介質(zhì)折射率發(fā)生周期性改變。這種由于外力作用而引起折射率變化的現(xiàn)象稱為彈光效應。彈光效應存在于一切物態(tài)。彈光效應可以用于描述光電效應類似的方法描述，即表示為 (2.1)式中表示介質(zhì)的逆介電張量的增量，為應變張量，為彈光系數(shù)量。(2.1)式中只考慮了彈光效應的線性項而忽略了高次項。這是因為彈光效應的高次項較之線性項(正常為量級)為更小的量?？紤]到應變張量和介質(zhì)電張量的增量皆為對稱張量，(2.1)式可簡化為 （m,n = 1，2，6） (2.2)

7、于是可將(2.1)式寫成如下矩陣形式 (2.3)當介質(zhì)存在應變力時，其折射率橢球方程為 (2.4)彈光系數(shù)張量pij的36個分量的取值及各分量之間的關(guān)系和介質(zhì)的結(jié)構(gòu)對稱性有關(guān)。下面以鈮酸鋰(LiNbO3)為例。鈮酸鋰晶體屬于三方晶系，3m晶類。其彈光系數(shù)矩陣為= (2.5)假設(shè)有平行于x軸方向的單向張應變力作用于晶體，并設(shè)由此產(chǎn)生的應變量為s1。在應力作用下，折射率橢球發(fā)生了變化。根據(jù)三方晶系的彈光系數(shù)矩陣可寫出 (2.6) 由此得出 (2.7)則(2.4)式可變?yōu)?(2.8)進一步來說，對于不同晶類中的不同晶體，由于它們的pij值各不相同。因此在不同的應變條件下所產(chǎn)生的彈光效應的大小也不完全

8、相同。對鈮酸鋰晶體，波長s=0.633m，p11=0.026，p12 =0.090，p13 =0.133，p14=0.075，p33 =0.071，p41 =0.151，p44 =0.145。代入(2.7)式便可求得各方向上的折射率。2，聲光柵如上所述，當聲波通過介質(zhì)傳播時，介質(zhì)就會產(chǎn)生和聲波信號相應的、隨時間和空間周期性變化的。這部分受擾動的介質(zhì)等效為一個“相位光柵”。其光柵常數(shù)就是聲波波長s，這種光柵稱為超聲光柵。聲波在介質(zhì)中傳播時，有行波和駐波兩種形式。特點是行波形成的超聲光柵的柵面在空間是移動的，而駐波場形成的超聲光柵柵面是駐立不動的。當超聲波傳播到聲光晶體時，它由一端傳向另一端。到達

9、另一端時，如果遇到吸聲物質(zhì)，超聲波將被吸聲物質(zhì)吸收，而在聲光晶體中形成行波。由于機械波的壓縮和伸長作用，則在聲光晶體中形成行波式的疏密相間的構(gòu)造，也就是行波形式的光柵。當超聲波傳播到聲光晶體時，它由一端傳向另一端。如果遇見反聲物質(zhì)，超聲波將被反聲物質(zhì)反射，在返回途中和入射波疊加而在聲光晶體中形成駐波。由于機械波壓縮伸長作用，在聲光晶體中形成駐波形式的疏密相同的構(gòu)造，也就是駐波形式的光柵。首先考慮行波的情況，設(shè)平面縱聲波在介質(zhì)中沿x方向傳播，聲波擾動介質(zhì)中的質(zhì)點位移可寫成 (2.9)0是質(zhì)點振動的振幅，s是聲波頻率，ks是聲波波矢量的模。相應的應變場是 (2.10)對各向同性介質(zhì)，折射率分布為

10、(2.11)聲行波在某一瞬間是對介質(zhì)的作用情況如圖2.1所示。圖中密集區(qū)（黑）表示介質(zhì)受到壓縮，密度增大，相應的折射率也增大；稀疏區(qū)（白）表示介質(zhì)密度變小，折射率減小。介質(zhì)折射率增大或減小呈現(xiàn)交替變化，變化的周期是聲波周期，同時又以聲速向前傳播。圖2.1聲行波形成的超聲光柵對于駐波的情況，考慮兩個相向傳播的同頻聲行波的疊加，質(zhì)點位移可以寫成 (2.12)而介質(zhì)折射率為 (2.13)圖2.2 聲駐波形成的超聲光柵因駐波效應(2.13)式中的應是(2.11)式的2倍。圖2.1給出了聲駐波情況下介質(zhì)折射率的變化情況，其中在圖中的曲線t+Ts/4和t+3Ts/4表示左、右行波。從圖中可見，聲波在一個周

11、期Ts之內(nèi)，介質(zhì)呈現(xiàn)兩層疏密層結(jié)構(gòu)，在波節(jié)處介質(zhì)密度保持不變，因而在波腹處折射率每隔半個周期Ts/2就變化一次。這樣，作為超聲光柵，它將交替出現(xiàn)和消失，其交替變化的頻率為原駐波周期的二倍，即2s。3，聲光效應 聲光效應是指光波在介質(zhì)中傳播時，被超聲波場衍射或散射的現(xiàn)象。由于聲波是一種彈性波，聲波在介質(zhì)中傳播會產(chǎn)生彈性應力或應變，這種現(xiàn)象稱為彈光效應。介質(zhì)彈性形變導致介質(zhì)密度交替變化，從而引起介質(zhì)折射率的周期變化，并形成折射率光柵。當光波在介質(zhì)中傳播時，就會發(fā)生衍射現(xiàn)象，衍射光的強度、頻率和方向等將隨著超生場的變化而變化。聲光調(diào)制就是基于這種效應來實現(xiàn)其光調(diào)制及光偏轉(zhuǎn)的。下面我們由量子的角度來分

12、析聲光衍射效應。由物質(zhì)的波粒二象性原理可將頻率為，波矢為k的光束看作動量為k，能量為的光子流，將聲頻為，波矢為ks的聲束看作動量為k，能量為的聲子流。光在聲波面中的衍射可看作光子和聲子的碰撞，每一次碰撞中消失（或產(chǎn)生）一個入射光子和一個聲子，同時產(chǎn)生一個衍射光子。衍射光子的頻率為±，波矢方向為k。根據(jù)碰撞前后能量守恒原理，應有即 (2.14)根據(jù)能量守恒，應有或 (2.15)(2.15)式表明衍射光頻率要改變，至于取“+”號或“”號，則取決于k和ks的相對方向。即在光子和聲子的碰撞中消失的光子和聲子所產(chǎn)生，其能量必然大于消失的光子，其頻率'>，公式中取正號。若碰撞中由一

13、個入射光子的消失，同時產(chǎn)生一個聲子和一個衍射光子則衍射光子的能量必然減小，其頻率'>，公式取負號。由動量守恒條件(2.14)式可導出布拉格方程。由于光波頻率遠遠高于聲波頻率，可認為所以由圖2.3的波矢三角形直接導出 (2.16) 圖2.3 用動量守恒推導布拉格條件4，聲光衍射分類根據(jù)聲波頻率的高低和聲光作用的超聲場長度的大小的不同，聲光效應可以分為拉曼奈斯聲光(Ram-Nath)衍射和布拉格(Bragg)衍射兩種。（1）區(qū)分拉曼奈斯衍射和布拉格衍射的定量標準：從理論上說，拉曼奈斯衍射和布拉格衍射是在改變聲光衍射參數(shù)時出現(xiàn)的兩種極端情況。影響出現(xiàn)兩種衍射情況的主要參數(shù)是聲波長、光束

14、入射角及聲光作用距離L。為了給出區(qū)分兩種衍射的定量標準，特引入?yún)?shù)G來表征 (2.17)當小且s大(G<<1)時，為拉曼奈斯衍射；而當L大且s小(G>>1)時，為布拉格衍射。為了尋求一個實用標準，即當G參數(shù)大到一定值后，除0級和+1級外，其他各級衍射光的強度都很小，可以忽略不計。達到這種情況時即認為已進入布拉格衍射區(qū)。經(jīng)過多年的實踐，現(xiàn)已普遍采用下列定量標準：(a) G4時為布拉格衍射區(qū)(b) G時為拉曼奈斯衍射區(qū) 為了便于應用，又引入量L0=scosi/s2/，則G=2L/L0。因此，上面的定量標準可以寫成：(a) L2L0 為布拉格衍射區(qū)(b) LL0/2 為拉曼奈

15、斯衍射區(qū)式中，L0稱為聲光器件的特征長度。引入了參數(shù)L0可使器件的設(shè)計十分簡便。由于s=s/s和=0/n，故L0不僅與介質(zhì)的性質(zhì)（s和n）有關(guān)，而且與工作條件（s和0）有關(guān)。事實上，L0反映了聲光互作用的主要特征。產(chǎn)生條件上的區(qū)別：表2-1拉曼-奈斯衍射和布拉格衍射產(chǎn)生條件上的區(qū)別拉曼-奈斯衍射布拉格衍射聲光作用長度較短聲光作用長度較長超聲波的頻率較低超聲波的頻率較高光波垂直于聲場傳播的方向光束與聲波波面間以一定的角度斜入射此時的聲光晶體相當于一個“平面光柵”此時的聲光晶體相當于一個“立體光柵”現(xiàn)象上的區(qū)別:(1)拉曼-奈斯衍射設(shè)聲光介質(zhì)中的聲波是一個寬度為L沿著x方向傳播的平面縱波（聲柱），

16、波長為s（角頻率s），波矢量ks指向x軸，入射光波矢量ki指向y軸方向，如圖2.4所示。圖2.4 拉曼-奈斯衍射聲波在介質(zhì)引起的彈性應變場可表為 根據(jù) 則有 或者 (2.18)則 (2.19)當把聲行波近似視為不隨時間變化的超聲場時，可略去對時間的依賴關(guān)系，這樣沿x方向的折射率分布可簡化為 (2.20)式中，n0為平均折射率；n為聲致折射率變化。由于介質(zhì)折射率發(fā)生了周期性的變化，所以會對入射光波的相位進行調(diào)制。如果考察的是一平面光波垂直入射的情況，它在聲光介質(zhì)的前表面y=-L/2處入射，入射光波為 (2.21)則在y=L/2處出設(shè)的光波不再是單色平面波，而是一個被調(diào)制了的光波，其等相面是由函數(shù)

17、n(x)決定的褶皺曲面，其光場可寫成 (2.22)該出射波陣面可分成若干個子波源，則在很遠的P點處總的衍射光場強是所有的子波源貢獻的求和，即由下列積分決定： (2.23) 式中，l=sin表示衍射方向的正弦；q為入射光束寬度。將=2(n)L/=(n)kiL代入上式，并利用歐拉公式展開成下面形式： (2.24)利用關(guān)系式式中，Jr()是r階貝塞爾函數(shù)。將此式代入(2.24)式，經(jīng)積分得到實部的表示式為 (2.25)而(2.24)式的虛部的積分為零。由上式可以看出，衍射光場強各項取極大值的條件為 （m=整數(shù)0） (2.26)當角和聲波波矢ks確定后，其中某一項為極大值時，其他項的貢獻幾乎等于零，因

18、而當m取不同值時，不同角方向的衍射光取極大值。(2.26)式則確定了各級衍射的方位角 （m=） (2.27)式中，m表示衍射光的級次。各級衍射光的強度為 (2.28)綜上分析，拉曼-奈斯聲光衍射的結(jié)果，使光波在原場分成一組衍射光，它們分別對應于確定的衍射角m（即傳播方向）和衍射強度，其中衍射角由(2.27)式?jīng)Q定；而衍射光強由(2.28)式?jīng)Q定，因此這一組光是離散型的。由于Jm2()= J-m2()，故各級衍射光對稱的分布在零級衍射光兩側(cè)，且同級次衍射光的強度相等。這是拉曼-奈斯衍射的主要特征之一。另外，由于,表示無吸收時衍射光各級極值光強之和等于入射光強，即光功率是守恒的。（2）布拉格衍射如

19、果聲波頻率較高，且聲光作用長度較大，此時的聲擾動介質(zhì)也不再等效于平面位相光柵，而形成了立體位相光柵。這時，相對聲波方向以一定角度入射的光波，其衍射光在介質(zhì)內(nèi)相互干涉，使高級衍射光相互抵消，只出現(xiàn)0級和1級的衍射光，簡言之，我們在屏上觀察到的是0級光斑和+1級光非常亮或者0級光斑和-1級光很亮，而其它各級的光強卻非常弱。5，聲光調(diào)制原理（1）聲光調(diào)制器的組成聲光調(diào)制其實由聲光介質(zhì)、電-聲換能器、吸聲（或反射）裝置、耦合介質(zhì)及驅(qū)動電源等所組成。如圖2.5所示：圖2.5聲光調(diào)制器(1)聲光介質(zhì) 聲光介質(zhì)是聲光互作用的場所。當一束光通過變化的超聲場時，由于光和超聲場的作用，其出射光就具有隨時間變化的各

20、級衍射光，利用衍射光的強度隨超聲波強度的變化而變化的性質(zhì)，就可以制成光強度調(diào)制器。(2)電-聲換能器（又稱超聲發(fā)生器） 它是利用某些壓電晶體（石英、LiNbO3等）或壓電半導體（CdS，ZnO等）的反壓電效應，在外加電場作用下產(chǎn)生機械振動而形成超聲波，所以它起著將電功率轉(zhuǎn)換成聲功率的作用。(3)吸聲（或反射）裝置 它放置在超聲元的對面，用以吸收已通過介質(zhì)的聲波（工作于行波狀態(tài)），以免返回介質(zhì)產(chǎn)生干擾，但要使超聲場工作在駐波狀態(tài)，則需要將吸聲裝置換成聲反射裝置。(4)驅(qū)動電源 它用以產(chǎn)生調(diào)制電信號施加于電-聲換能器的兩端電極上，驅(qū)動聲光調(diào)制器（換能器）工作。(5)耦合介質(zhì) 為了能較小損耗地將超聲

21、能量傳遞到聲光介質(zhì)中去，換能器的聲阻抗應該盡量接近介質(zhì)的聲阻抗，這樣可以減小兩者接觸界面的反射損耗。實際上，調(diào)制器都是在兩者之間加一過渡層耦合介質(zhì)，它起三個作用：低損耗傳能，粘結(jié)和電極的作用。（2）聲光調(diào)制器的工作原理聲光調(diào)制是利用聲光效應將信息加載于光頻載波上的一種物理過程。調(diào)制信號是以電信號（調(diào)幅）形式作用于電聲換能器上而轉(zhuǎn)化為以電信號形式變化的超聲場，當光波通過聲光介質(zhì)時，由于聲光作用，使光載波受到調(diào)制而成為“攜帶”信息的強度調(diào)制波。由前面分析可知，無論是拉曼奈斯衍射，還是布拉格衍射，其衍射效率均與附加相位延遲因=2nL/有關(guān)，而其中聲致折射率差n正比于彈性應變幅值S，而S聲功率ps，故

22、當聲波長受到信號的調(diào)制是聲波振幅隨之變化，則衍射光強也將隨之作相應的變化。布拉格聲光調(diào)制特性曲線如下圖所示：圖2.6調(diào)制特性曲線由圖可以看出：衍射效率與超聲功率ps是非線性調(diào)制曲線形式，為了使調(diào)制不發(fā)生歧變，則需要超聲偏置，使其工作在線性較好的區(qū)域。對于拉曼奈斯衍射，工作頻率低于10MHz。若取某一級衍射光作為輸出，可利用光闌將其它級的衍射光遮擋，則從光闌孔出射的光束就是一個隨v變化的調(diào)制光。由于拉曼-奈斯型衍射效率低，光能利用率也低，聲光相互作用長度L較短，當工作頻率較高時，最大允許長度太小，要求的聲功率很高，因此拉曼-奈斯型聲光調(diào)制器只限于低頻工作，只具有有限的帶寬。而布拉格衍射效率高，調(diào)

23、制帶寬較寬，故多被采用。6，布拉格聲光調(diào)制如果聲波頻率較高，且聲光作用長度較大，此時的聲擾動介質(zhì)也不再等效于平面位相光柵，而形成了立體位相光柵。這時，相對聲波方向以一定角度入射的光波，其衍射光在介質(zhì)內(nèi)相互干涉，使高級衍射光相互抵消，只出現(xiàn)0級和1級的衍射光，這就是布拉格聲光衍射，如圖2.6所示，這種衍射形式效率較高，有利于制成各種實用器件。圖2.6 布拉格聲光衍射下面從波的干涉加強條件來推導布拉格方程。為此，可把聲波通過的介質(zhì)近似看作許多相距s的部分反射、部分透射的鏡面。對于行波場，這些鏡面將以速度s沿x方向移動（因為m<<c所以在某一瞬間，超聲場可近似看成是靜止的，因而對衍射光的

24、分布沒影響）。對駐波超聲場則完全是不動的。當平面波以i入射至聲波場，在B、C、E各點處部分反射，產(chǎn)生衍射光。各衍射光相干增強的條件是它們之間的光程差應為其波長的整數(shù)倍，或者說必須同相位。圖2.7表示在同一鏡面上的衍射情況，入射光在B、C點的反射光同相位的條件必須使光程差AC-BD等于光波波長的整數(shù)倍，即 (2.29)要使聲波面上所有點同時滿足這以條件，只有使 (2.30)即入射角等于衍射角才能實現(xiàn)。對于相距s的兩個不同的鏡面上的衍射情況，由上下面反射的反射光具有同相位的條件，其光程差FE+EG必須等于光波波長的整數(shù)倍，即 (2.31)考慮到，所以 或 (2.32)式中，i=d=B，B稱為布拉格

25、角?？梢姡挥腥肷浣堑扔诓祭窠荁時，在聲波面上的光波才具有同相位，滿足相干加強的條件，得到衍射極值，上式稱為布拉格方程。由于發(fā)生布拉格聲光衍射時，聲光相互作用長度較大，屬于體光柵情況。理論分析表明，在聲波場的作用下入射光和衍射光之間存在如下關(guān)系 (2.33)式中Ei和Ej分別為入射和衍射光場，這為我們描述兩個光場的能量轉(zhuǎn)換效率提供了方便。定義：在作用距離L處衍射光強和入射光強之比為聲光衍射效率，即 (2.34)由于，注意到。因此，(2.28)式可寫為 (2.35)式中是傳播距離L后位相改變量。引入有效彈光系數(shù)pe和有效應變Se， (2.36)其中有效應變Se同聲波場強度Is的關(guān)系是 (2.3

26、7)式中是聲速，是介質(zhì)密度。于是(2.29)式寫成 (2.38)或 (2.39)式中，是聲光介質(zhì)的物理參數(shù)組合，是由介質(zhì)本身性質(zhì)決定的量，稱為聲光材料的品質(zhì)因數(shù)(或聲光優(yōu)質(zhì)指標)，它是選擇聲光介質(zhì)的主要指標之一。從(2.32)式可見：(a)若在超聲功率Ps一定的情況下，欲使衍射光強盡量大，則要求選擇M2大的材料，并且，把換能器做成長面較窄（即L大H?。┑男问剑?b)如果超聲功率足夠大，使達到時，100%(c)當改變時，也隨之改變，因而通過控制Ps(即控制加在電聲換能器上的電功率)就可以達到控制衍射光強的目的，實現(xiàn)聲光調(diào)制。7，聲光調(diào)制系統(tǒng)的設(shè)計聲光調(diào)制系統(tǒng)設(shè)計的目的：設(shè)計出一整套完整的實驗系統(tǒng)

27、，盡量減小其危險性，便于操作。(1). 光源的選擇本實驗系統(tǒng)采用的是半導體激光器650nm的紅光，它具有激光的一切優(yōu)點，例如相干性好，發(fā)散角小，便于在空間傳輸?shù)葍?yōu)點。除此之外，與He-Ne激光器相比，它精小簡攜，放置在四維調(diào)整架上，易于調(diào)整。而且本實驗系統(tǒng)的650nm紅光是在02.5mW可調(diào)的，這樣就便于對光路的調(diào)節(jié)且不傷眼睛。(2). 聲光晶體的選擇很多材料都可以做聲光材料使用，例如熔石英、鉬酸鉛、超重火石玻璃等。這樣我們就需要根據(jù)實際應用的要求進行選擇，以下簡述一下對本實驗系統(tǒng)應完成的布拉格衍射所需要的晶體的選擇。通常評價聲光材料性能優(yōu)劣的品質(zhì)因數(shù)有三個：表征材料的調(diào)制效率。,為調(diào)制效率，

28、故越大，所需聲功率則越小。：評價材料的布拉格帶寬的品質(zhì)因數(shù)。顯然當光波和聲波波長變化時，都將引起布拉格角B的變化，從而降低衍射效率。對布拉格衍射，定義一級衍射光強下降到名義聲波s的衍射光強的一半時，聲頻變化量s為布拉格帶寬：，所以。引入一個新的物理量，使，越大，由此材料制成的調(diào)制器調(diào)制帶寬越寬。 M3：這是表征材料聲速大小的一個品質(zhì)因數(shù)。當聲光器件作聲光偏轉(zhuǎn)用時，要求材料的聲速要小，因而引入M3=M1/Vs=n7p2/Vs2。綜上所述，對聲光材料的上述要求某些是矛盾的，必須視具體問題綜合考慮各因數(shù)，以確定適當?shù)穆暪獠牧稀τ诓祭裱苌?，我們需要M1，M2，M3均越大越好的聲光材料，同時兼顧價錢

29、等因素，我們的實驗系統(tǒng)采取了鉬酸鉛晶體，它的各項品質(zhì)因數(shù)為M1，M2=23.7，M3=24.9。(3). 三角形導軌的使用三角形導軌采用馬蹄形設(shè)計，容易中心定位，穩(wěn)定性好，同時滑座可進行精確調(diào)節(jié)或鎖緊。因此，便于操作。(4). 旋轉(zhuǎn)平臺的使用將聲光晶體固定在旋轉(zhuǎn)平臺上，平臺上有水平調(diào)節(jié)螺栓和角度調(diào)節(jié)螺栓，利用水平調(diào)節(jié)螺栓可以任意調(diào)整聲光晶體的位置，待聲光晶體位置大致確定以后，鎖緊水平調(diào)節(jié)螺栓，然后旋轉(zhuǎn)角度調(diào)節(jié)螺栓（±5精確調(diào)節(jié)），就可以改變光強在各級光斑上的分布。原有的旋轉(zhuǎn)平臺具有調(diào)節(jié)俯仰的功能，但是應用這樣的旋轉(zhuǎn)平臺就會使聲光晶體通光孔高度過高，導致整套系統(tǒng)比例失調(diào)，考慮到旋轉(zhuǎn)平臺

30、的俯仰功能作用不大 ，所以現(xiàn)在采用的旋轉(zhuǎn)平臺去掉了這一部分，進而使得比例適當，穩(wěn)定性好，易于調(diào)節(jié)。(5) 橫向微調(diào)滑座的使用為了可以方便的選擇我們所需要的某級衍射光進行調(diào)制，設(shè)計并使用了可以橫向微調(diào)的滑座，滑座上有精密刻度的橫移調(diào)節(jié)機構(gòu)（），將小孔光闌和接收放大器分別放在兩個橫向微調(diào)滑座上，調(diào)整好高度，在這種情況下，只要微調(diào)橫向螺桿，就可以對衍射光精確定位。(6). 電源箱的設(shè)計與改進為了方便實驗，我們打算將LD線路板、超聲波發(fā)生器以及CCD線陣線路板均放置在聲光電壓調(diào)制電源箱內(nèi)，考慮各方面要求，對電源箱尺寸采用280×200×120(單位：mm)，為此設(shè)計了五種方案，其中

31、有兩種可行，我們采取了其中的一種，做了一臺試驗樣機。 經(jīng)過實驗發(fā)現(xiàn)，CCD線陣線路板放置在聲光調(diào)制電壓箱內(nèi)是行不通的，其它的部件對CCD線陣線路板干擾非常強烈，直接導致CCD根本無法工作。為使CCD線陣正常工作，只好將CCD線陣仍作為一個獨立的器件，于是又做了一臺電源試驗樣機。經(jīng)過長時間的反復實驗，我們發(fā)現(xiàn)電源箱基本可以正常工作，但在后期逐漸發(fā)現(xiàn)，由于高頻超聲波發(fā)聲器的工作，在空間場對其它器件有干擾現(xiàn)象，問題究竟如何解決還需要長期的觀察和實驗，初步?jīng)Q定設(shè)計一種方案使得超聲波發(fā)生器仍然能夠放置在電源箱內(nèi)，給超聲波發(fā)生器特制一個屏蔽罩，防止它對其它器件的干擾，此方案仍然在設(shè)想中，到底其是否具有可行

32、性還需要再制作試驗樣機進行觀察和實驗。設(shè)計的電源箱前后面板如圖3，圖4所示。圖3 (1)電源開關(guān) 控制主電源，按通時開關(guān)指示燈亮；(2)LD開關(guān) 按通時，電源箱對半導體激光器供電；(3)聲光壓調(diào)節(jié) 調(diào)節(jié)聲光調(diào)制的超聲信號功率；圖4 (1)電源輸入 標準三芯電源插座，用以連接220V交流電，插座上方有保護電源用的熔絲。(2)傳感器 與光電接收器連接的接口插座。(3)調(diào)制信號輸出 輸出超聲功率至聲光調(diào)制器的插座。(4)LD輸出 供半導體激光器用的電源輸出插座。(5)信號輸入 直接送有源揚聲器發(fā)聲的輸出插座。三.實驗裝置圖 1.調(diào)平底腳 2.導軌 3.滑座 4.四維調(diào)整架 5.半導體激光器 6.聲光

33、晶體盒 7.旋轉(zhuǎn)平臺 8.小孔光闌 9.橫向滑座 10.光電探測器本實驗系統(tǒng)是由半導體激光電源、聲光盒、小孔光闌、接收放大器以及聲光調(diào)制電源箱組成。光路的調(diào)節(jié)：(1) 在光具座的滑座上放置好激光器和光電接收器，并安裝好聲光調(diào)制器的載物臺；(2) 按系統(tǒng)連接方法將激光器、聲光調(diào)制器、光電接收器等組件連接到聲光調(diào)制電源箱；(3) 光路準直：打開電源開關(guān)，接通激光電源，調(diào)節(jié)電源箱上的激光強度旋鈕，使激光束得到足夠強度。用小孔光闌來調(diào)整光路，先將半導體激光器放置在導軌零點處鎖定，把小孔光闌拉到激光器附近，調(diào)整四維調(diào)整架的左和上旋鈕，使激光束通過小孔，再把小孔光闌拉遠一些，基本是聲光調(diào)制器放置的位置，旋

34、轉(zhuǎn)四維調(diào)整架上的右和下旋鈕，使激光束通過小孔，反復調(diào)節(jié)，使得一定距離內(nèi)激光束是平行光；(4) 將聲光調(diào)制器的通光孔置于載物平臺的中心位置，調(diào)整好高度，使得激光束剛好通過通光孔；(5) 把小孔光闌放置在帶橫向微動的滑座上，調(diào)整好小孔光闌的高度，使得光束放好通過小孔；(6) 調(diào)整光電探測器的高度，使得激光束落在光電傳感器中心。圖5實驗裝置原理圖1、LD 2、LD電源 3、聲光器件 4、聲光調(diào)制器 5、光闌 6、直流供電7、加器8、光電二極管 9、揚聲器 10、探測信號輸出 11、源信號輸出 12、外信號13、調(diào)制電源 14、CCD 線陣 15、示波器四.實驗內(nèi)容利用這套聲光調(diào)制實驗系統(tǒng)可以完成下列實驗：1、觀察聲光調(diào)制的衍射現(xiàn)象調(diào)節(jié)激光束的亮度，使在相屏中心有明晰的光點呈現(xiàn)，此即為聲光調(diào)制的0級光斑；打開聲光調(diào)制電壓，此時以80MHz為中心頻率的超聲波開始對聲