實驗一 聲光效應(yīng)實驗

1、實驗一 聲光效應(yīng)實驗【預(yù)習重點】1聲光效應(yīng)的原理。2儀器使用注意事項。 【實驗?zāi)康摹?了解聲光效應(yīng)的原理。2了解喇曼納斯衍射和布喇格衍射的實驗條件和特點。3測量聲光偏轉(zhuǎn)和聲光調(diào)制曲線。4完成模擬通信實驗儀器的安裝及調(diào)試?！緦W史背景】聲光效應(yīng)是指光通過某一受到超聲波擾動的介質(zhì)時發(fā)生衍射的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象是光波與介質(zhì)中聲波相互作用的結(jié)果。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)象的研究提供了理想的光源，促進了聲光效應(yīng)理論和應(yīng)用研究的迅速發(fā)展。聲光效應(yīng)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(yīng)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

2、器等，在激光技術(shù)、光信號處理和集成光通訊技術(shù)等方面有著重要的應(yīng)用。 【實驗原理】當超聲波在介質(zhì)中傳播時，將引起介質(zhì)的彈性應(yīng)變作時間和空間上的周期性的變化，并且導(dǎo)致介質(zhì)的折射率也發(fā)生相應(yīng)變化。當光束通過有超聲波的介質(zhì)后就會產(chǎn)生衍射現(xiàn)象，這就是聲光效應(yīng)。有超聲波傳播的介質(zhì)如同一個相位光柵。圖1 聲光衍射聲光效應(yīng)有正常聲光效應(yīng)和反常聲光效應(yīng)之分。在各項同性介質(zhì)中，聲光相互作用不導(dǎo)致入射光偏振狀態(tài)的變化，產(chǎn)生正常聲光效應(yīng)。在各項異性介質(zhì)中，聲光相互作用可能導(dǎo)致入射光偏振狀態(tài)的變化，產(chǎn)生反常聲光效應(yīng)。反常聲光效應(yīng)是制造高性能聲光偏轉(zhuǎn)器和可調(diào)濾波器的基礎(chǔ)。正常聲光效應(yīng)可用喇曼納斯的光柵假設(shè)作出解釋，而反常

3、聲光效應(yīng)不能用光柵假設(shè)作出說明。在非線性光學中，利用參量相互作用理論，可建立起聲光相互作用的統(tǒng)一理論，并且運用動量匹配和失配等概念對正常和反常聲光效應(yīng)都可作出解釋。本實驗只涉及到各項同性介質(zhì)中的正常聲光效應(yīng)。設(shè)聲光介質(zhì)中的超聲行波是沿方向傳播的平面縱波，其角頻率為，波長為波矢為。入射光為沿方向傳播的平面波，其角頻率為，在介質(zhì)中的波長為，波矢為。介質(zhì)內(nèi)的彈性應(yīng)變也以行波形式隨聲波一起傳播。由于光速大約是聲速的倍，在光波通過的時間內(nèi)介質(zhì)在空間上的周期變化可看成是固定的。由于應(yīng)變而引起的介質(zhì)的折射率的變化由下式?jīng)Q定 （1）式中，為介質(zhì)折射率，為應(yīng)變，為光彈系數(shù)。通常，和為二階張量。當聲波在各項同性介

4、質(zhì)中傳播時，和可作為標量處理，如前所述，應(yīng)變也以行波形式傳播，所以可寫成 （2）當應(yīng)變較小時，折射率作為和的函數(shù)可寫作 （3）式中，為無超聲波時的介質(zhì)的折射率，為聲波折射率變化的幅值，由（1）式可求出設(shè)光束垂直入射（）并通過厚度為的介質(zhì)，則前后兩點的相位差為 （4） 式中，為入射光在真空中的波矢的大小，右邊第一項為不存在超聲波時光波在介質(zhì)前后兩點的相位差，第二項為超聲波引起的附加相位差（相位調(diào)制），?？梢?，當平面光波入射在介質(zhì)的前界面上時，超聲波使出射光波的波振面變?yōu)橹芷谧兓陌櫿鄄?，從而改變出射光的傳播特性，使光產(chǎn)生衍射。 設(shè)入射面上的光振動為，為一常數(shù)，也可以是復(fù)數(shù)。考慮到在出射面上各點

5、相位的改變和調(diào)制，在平面內(nèi)離出射面很遠一點的衍射光疊加結(jié)果為寫成等式時， （5）式中，為光束寬度，為衍射角，為與有關(guān)的常數(shù)，為了簡單可取為實數(shù)。利用一與貝塞耳函數(shù)有關(guān)的恒等式式中為（第一類）階貝塞耳函數(shù)，將（5）式展開并積分得 （6）上式中與第級衍射有關(guān)的項為 （7） （8）因為函數(shù)在取極大值，因此有衍射極大的方位角由下式?jīng)Q定： （9）式中，為真空中光的波長，為介質(zhì)中超聲波的波長。與一般的光柵方程相比可知，超聲波引起的有應(yīng)變的介質(zhì)相當于一光柵常數(shù)為超聲波長的光柵。由（7）式可知，第級衍射光的頻率為 （10）可見，衍射光仍然是單色光，但發(fā)生了頻移。由于，這種頻移是很小的。第m級衍射極大的強度可用

6、（7）式模數(shù)平方表示： （11）式中，為的共軛復(fù)數(shù)，第級衍射極大的衍射效率定義為第級衍射光的強度與入射光的強度之比。由（11）式可知，正比于。當為整數(shù)時，。由（9）式和（11）式表明，各級衍射光相對于零級對稱分布。當光束斜入射時，如果聲光作用的距離滿足，則各級衍射極大的方位角由下式?jīng)Q定 （12）式中為入射光波矢與超聲波波面的夾角。上述的超聲衍射稱為喇曼納斯衍射，有超聲波存在的介質(zhì)起一平面位光柵的作用。當聲光作用的距離滿足，而且光束相對于超聲波波面以某一角度斜入射時，在理想情況下除了0級之外，只出現(xiàn)1級或1級衍射。如圖2所示。這種衍射與晶體對光的布喇格衍射很類似，故稱為布喇格衍射。能產(chǎn)生這種衍射

7、的光束入射角稱為布喇格角。此時有超聲波存在的介質(zhì)起體積光柵的作用?？梢宰C明，布喇格角滿足1級0級1級0級圖2 布拉格衍射 （13）式中（13）稱為布喇格條件。因為布喇角一般都很小，故衍射光相對于入射光的偏轉(zhuǎn)角 （14）式中，為超聲波的波速，為超聲波的頻率，其它量的意義同前。在布喇格衍射條件下，一級衍射光的效率為 （15）式中， 為超聲波功率，和為超聲換能器的長和寬，為反映聲光介質(zhì)本身性質(zhì)的一常數(shù)，為介質(zhì)密度，為光彈系數(shù)。在布喇格衍射下，衍射光的效率也由（10）式?jīng)Q定。理論上布喇格衍射的衍射效率可達100，喇曼納斯衍射中一級衍射光的最大衍射效率僅為34，所以使用的聲光器件一般都采用布喇格衍射。

8、由（14）式和（15）式可看出，通過改變超聲波的頻率和功率，可分別實現(xiàn)對激光束方向的控制和強度的調(diào)制，這是聲光偏轉(zhuǎn)器和聲光調(diào)制器的基礎(chǔ)。從（10）式可知，超聲光柵衍射會產(chǎn)生頻移，因此利用聲光效應(yīng)還可以制成頻移器件。超聲頻移器在計量方面有重要應(yīng)用，如用于激光多普勒測速儀。以上討論的是超聲行波對光波的衍射。實際上，超聲駐波對光波的衍射也產(chǎn)生喇曼納斯衍射和布喇格衍射，而且各衍射光的方位角和超聲頻率的關(guān)系與超聲行波的相同。不過，各級衍射光不再是簡單地產(chǎn)生頻移的單色光，而是含有多個傅立葉分量的復(fù)合光?！緦嶒瀮x器】一套完整的SO2000聲光效應(yīng)實驗儀配有：已安裝在轉(zhuǎn)角平臺上的100MHz聲光器件、半導(dǎo)體激

9、光器、100MHz功率信號源、LM601CCD光強分布測量儀及光具座。每個器件都帶有10的立桿，可以安插在通用光具座上。配件：模擬通信收發(fā)器，頻率計，計算機。1 聲光器件聲光器件的結(jié)構(gòu)示意如圖3所示。它由聲光介質(zhì)、壓電換能器和吸聲材料組成。壓電換能器聲波前進方向吸聲材料 光波前進方向聲光介質(zhì)圖3 聲光器件的結(jié)構(gòu) 圖4 轉(zhuǎn)角平臺本實驗采用的聲光器件中的聲光介質(zhì)為鉬酸鉛，吸聲材料的作用是吸收通過介質(zhì)傳播到端面的超聲波以建立超聲行波。將介質(zhì)的端面磨成斜面或成牛角狀，也可達到吸聲的作用。壓電換能器又稱超聲換能器，由妮酸鋰晶體或其它壓電材料制成。它的作用是將電工率換成聲功率，并在聲光介質(zhì)中建立起超聲場。

10、壓電換能器既是一個機械振動系統(tǒng)，又是一個與功率信號源相聯(lián)系的電振動系統(tǒng)，或者說是功率信號源的負載。為了獲得最佳的電聲能量轉(zhuǎn)換效率，換能器的阻抗與信號源的內(nèi)阻應(yīng)當匹配。聲光器件有一個衍射效率最大的工作頻率，此頻率稱為聲光器件的中心頻率，記為fc。對于其它頻率的超聲波，其衍射效率將降低。規(guī)定衍射效率（或衍射光的相對光強）下降3db（即衍射效率降到最大值的）時兩頻率間的間隔為聲光器件的帶寬。聲光器件安裝在一個透明塑料盒內(nèi)，置于轉(zhuǎn)交平臺上，見圖4。盒上有一插座，用于和功率信號源的聲光插座相連。透明塑料盒兩端各開一個小孔，激光分別從這兩個小孔射入和射出聲光器件，不用時用貼紙封住以保護聲光器件。旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)交平

11、臺的旋轉(zhuǎn)手輪可以轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)交平臺，從而改變激光射入聲光器件的角度。2.功率信號源SO2000功率信號源專為聲光效應(yīng)實驗配套，輸出頻率范圍為80120MHz，最大輸出功率為1W。面板上各輸入/輸出信號和表頭含義如下：等幅/調(diào)幅：做基本的聲光衍射實驗，要打在“等幅”位置，否則信號源無輸出；做模擬通訊實驗時要打在“調(diào)幅位置”。調(diào)制：輸入信號插座。等幅/調(diào)幅開關(guān)處于“調(diào)幅”位置時，此位置接上“模擬通信發(fā)送器”，從“調(diào)制”端口輸入一個TTL電平的數(shù)字信號，就可以對聲功率進行幅度調(diào)制，頻率范圍020KHz。調(diào)制波的解調(diào)可用光電池加放大電路組成的“光電池盒”來實現(xiàn)。具體方法是，移去CCD光強分布測量儀，安置上“

12、光電池盒”，“光電池盒”再與“模擬通信接收器”相連。將1級衍射光對準“光電池盒”上的小孔，適當調(diào)節(jié)半導(dǎo)體激光器的功率，就可以用喇叭或示波器還原調(diào)制波的信號，進行模擬通信實驗。模擬通信收發(fā)器的介紹見下文。聲光：輸出信號插座。用于連接聲光器件，將功率信號源的電信號傳如聲光器件，經(jīng)壓電換能器轉(zhuǎn)換為聲波后注入聲光介質(zhì)。測頻：輸出信號插座。接頻率計，用于測量功率信號源輸出的頻率。頻率旋鈕：用于改變功率信號源的輸出頻率，可調(diào)范圍80120MHz。逆時針旋到底是80MHz，順時針選到底是120MHz。功率旋鈕：用于調(diào)節(jié)功率信號源的輸出頻率，逆時針減小，順時針變大。面板上的毫安表讀書作為功率指示用，讀書值&#

13、215;10約等于功率毫瓦數(shù)。使用時，為保證聲光器件的安全，不要長時間處于功率最大位置。3.CCD光強分布測量儀：其核心是線陣CCD器件。CCD器件是一種可以電掃描的光電二級管列陣，有面陣（二維）和線陣（一維）之分。LM601/501CCD光強儀所用的是線陣CCD器件，性能參數(shù)如下表。LM601/501CCD光強儀機殼尺寸為150mm×100mm×50mm，CCD器件的光敏面至光強儀前面板距離為4.5mm。型號光敏元件光敏元件尺寸光敏元件中心距光譜響應(yīng)范圍光譜響應(yīng)峰值LM601S2700個11×11110.30.90.56LM6012592個11×111

14、10.30.90.56LM5012048個14×14140.20.90.56LM601/501CCD光強儀后面板各插孔標記含義如下：“同步”：Q9頭，示波器型用。啟動CCD器件掃描的觸發(fā)脈沖，主要供示波器觸發(fā)用?！巴健钡暮x是“同步掃描”，與示波器的觸發(fā)端口相連?！靶盘枴保篞9頭，示波器型用。CCD器件接受的空間光強分布信號的模擬電壓輸出端，與示波器的某一路信號端口相連?！癉B9插頭”：微機型用，連接USB100計算機數(shù)據(jù)采集盒。4.USB100計算機數(shù)據(jù)采集盒：用USB接口與計算機相連，同時以DB15插座通過電纜線與LM601/501CCD光強儀后面板上的DB9插座相連。采集盒上

15、有一個12位的A/D轉(zhuǎn)換器，也就是說可以把CCD器件上每一個光敏單元上的光強信號分成4096個灰度等級?？臻g分辨率與所使用CCD光強儀的型號有關(guān)。在1114之間。采集盒對計算機要求不高，586最小配置，有USB接口就可以了。5.模擬通信收發(fā)器模擬通信收發(fā)器由三件儀器組成：模擬通信發(fā)送器、模擬通信接收器和光電池盒。a) 模擬通信發(fā)送器的各接口及開關(guān)描述如下：“調(diào)制”：輸出信號插座。當功率信號源的等幅/調(diào)幅開關(guān)處于“調(diào)幅”位置時（即做模擬通信實驗時），此位置接上功率信號源的調(diào)制插座，即向功率信號源輸出TTL電平的數(shù)字調(diào)制信號，用于對聲功率進行幅度調(diào)制。“示波器”：如果要在雙蹤示波器上對比觀察本模擬

16、通信實驗中發(fā)送和接收到的音樂TTL電平的數(shù)字信號，則此插座接示波器的一路通道，并作為觸發(fā)信號；模擬通信接收器的示波器插座接示波器的另一路通道。“喇叭開關(guān)”：用于選擇是否監(jiān)聽發(fā)送器送出的音樂TTL信號?！斑x曲開關(guān)”：發(fā)送器可以送出的音樂TTL信號有兩首樂曲，用于開關(guān)選擇。b) 模擬通信接受器的各接口描述如下：“光電池”：接光電池盒?！笆静ㄆ鳌保喝绻陔p蹤示波器上對比觀察本模擬通信實驗中發(fā)送和接收到的音樂TTL電平的數(shù)字信號，則此插座接示波器的一路通道；模擬通信發(fā)送器的示波器插座接示波器的另一路通道，并作為觸發(fā)信號?！耙袅啃o”：調(diào)節(jié)模擬通信接收器還原出來的TTL信號的音量的大小。c）光電池盒取

17、代LM601CCD光強分布測量儀，與模擬通信接收器的光電池插座連接并向模擬通信接收器傳送接受到的帶調(diào)制信號的衍射光信號。6.半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器輸出光強穩(wěn)定，功率可調(diào)，壽命長。在后面板上有一只調(diào)節(jié)激光強度的電位器，在盒頂和盒側(cè)各有一只做XY方向微調(diào)的手輪。7.光具座0.8m長，配三只馬鞍座，其中一只可橫向移動，一般用于安置CCD光強儀或光電池盒用。SO2000的各部件的底端都有螺口用以旋入直徑為10mm的立桿，擰緊后插入各馬鞍座里，旋緊馬鞍座的立桿旋鈕，在將馬鞍座置于光具座上，待各部件位置調(diào)好后，旋緊馬鞍座側(cè)面的旋鈕即可完成固定。8.頻率計采用VC2000智能頻率計，量程為10Hz2.4G

18、Hz?！緦嶒瀮?nèi)容】1. 開機預(yù)熱10分鐘；2. 觀察喇曼納斯衍射和布拉格衍射，比較兩種衍射的實驗條件和特點；3. 調(diào)出布喇格衍射，用示波器測量衍射角，先要解決“定標”的問題，即示波器X方向上的1格等于CCD器件上多少象元，或者示波器上1格等CCD器件位置X方向上的多少距離。用微機測量衍射角，則只需在軟件上直接讀出X方向上的距離（ch值）和光強度值（A/D值）。4. 布拉格衍射下測量衍射光相當于入射光的偏轉(zhuǎn)角與超聲波頻率（即電信號頻率）fs的關(guān)系曲線，并計算聲速vs。測出68組（，fs）值，在課堂上用計算器作直線擬合求出和fs的相關(guān)系數(shù)。課后和fs的關(guān)系曲線。注意式（13）和（14）中布拉格角i

19、B和偏轉(zhuǎn)角都是指介質(zhì)內(nèi)的角度，而直接測出的角度是空氣中的角度，應(yīng)進行換算，聲光器件n2.386。由于聲光器件的參數(shù)不可能達到理論值，實驗中布拉格衍射不是理想的，可能會出現(xiàn)高級次衍射光等現(xiàn)象。調(diào)節(jié)布拉格衍射時，使1級衍射光最強即可。次數(shù)0級光與1級光的偏轉(zhuǎn)距離（mm）L（mm）fs（MHz）vs12L是聲光介質(zhì)的光出射面到CCD線陣光敏面的距離，注意不要忘了加上CCD器件光敏面至光強儀前面板的距離4.5mm；vs的計算見式（14）。5. 布拉格衍射下，固定超聲波功率，測量衍射光相對于零級衍射光的相對強度與超聲波頻率的關(guān)系曲線，并定出聲光器件的寬帶和中心頻率。6. 布拉格衍射下，將功率信號源的超聲

20、波頻率固定在聲光器件的中心頻率上，測出衍射光強度與超聲波功率的關(guān)系曲線。7. 測定布拉格衍射下的最大衍射效率，衍射效率I1/I0，其中，I0為未發(fā)生衍射光強度時“0級光”的強度，I1為發(fā)生聲光衍射后1級光的強度。8. 在喇曼納斯衍射（光束垂直入射）下，測量衍射角m并與理論值比較。9. 在喇曼納斯衍射下，在聲光器件的中心頻率上測定1級光的衍射效率，并與布拉格衍射下的最大衍射效率比較。超聲波功率固定在布拉格衍射最佳時的功率上。在觀察和測量以前，應(yīng)將整個光學系統(tǒng)調(diào)至共軸。10. 按第二章所述完成聲光模擬通信實驗的儀器安裝和調(diào)試：改變超聲波功率，注意觀察模擬通信接受器送出的音樂的變化，分析原因。【注意

21、事項】1 實驗儀器嬌貴，調(diào)節(jié)過程中不可操之過急，應(yīng)耐心認真調(diào)節(jié)。聲光器件尤為貴重，注意保護。2 不能將功率信號源的輸出功率長時間處于最大輸出功率狀態(tài)，以免燒壞。3 在觀察和測量以前，應(yīng)將整個光學系統(tǒng)調(diào)至共軸。4 實驗結(jié)束后，應(yīng)先關(guān)閉各儀器電源，再關(guān)閉總電源，以免損壞儀器?！舅伎碱}】1 為什么說聲光器件相當于位光柵？2 聲光器件在什么實驗條件下產(chǎn)生喇曼納斯衍射？在什么實驗條件下產(chǎn)生布喇格衍射？兩種衍射的現(xiàn)象各有什么特點？3 調(diào)節(jié)喇曼納斯衍射時，如何保證光束垂直入射？【附】SO2000聲光效應(yīng)實驗儀可完成和在此基礎(chǔ)上的聲光模擬通信實驗，這兩種實驗的安裝、連線分別介紹如下。一、基本聲光效應(yīng)實驗：本實

22、驗需要下列電線或電纜：1. 光強分布測量儀到示波器：同型號2根，每根均未Q9插頭。這兩根線中，一根連光強分布測量儀的“信號”和示波器的測量輸入通道，另一根連接光強分布測量儀的“同步”和示波器的外觸發(fā)同步通道。2. 光強分布測量儀到USB100采集盒：1根，兩端是DB15（15芯）和DB9（9芯）插頭。用它連接USB采集盒和CCD光強儀，再用USB線將采集盒與計算機相連。3. 功率信號源到轉(zhuǎn)角平臺上的聲光器件：1根。其一頭為Q9插頭，連接聲光器件，一頭為蓮花插頭，連接功率信號源的“聲光”插座，此時，功率信號源要打在“等幅”上；當使用模擬通信收發(fā)器時，要打在“調(diào)幅”上。使用過程如下：1. 完成安裝

23、后，開啟除功率信號源之外的各部件的電源；2. 仔細調(diào)節(jié)光路，使半導(dǎo)體激光器射出的光束準確地由聲光器件外塑料盒的小孔射入、穿過聲光介質(zhì)、由另一端的小孔射出，在透過偏振減光器，射到CCD采集窗口上，這時衍射尚未產(chǎn)生（聲光器件盡量靠近激光器）3. 用示波器測量時，將光強儀的“信號”接至示波器的Y軸，電壓檔置0.11V/格檔，掃描頻率一般置2ms/格檔；光強儀的“同步”插孔接至示波器的外觸發(fā)端口，極性為“”。適當調(diào)節(jié)“觸發(fā)電平”，在示波器上可以看到一個穩(wěn)定的單峰波形；用計算計測量時，連接USB采集盒和CCD光強儀，再用USB線將USB采集盒計算機相連。啟動工作軟件即可采集、處理實驗波形和數(shù)據(jù)。4.如在

24、示波器頂端只有一直線而看不到波形，這是CCD器件飽和所致。可試著減弱環(huán)境光強、減小激光器的輸出功率、轉(zhuǎn)動CCD光強儀上的偏振減光器，問題就可解決；5.如果在示波器上看到的波形不怎么光滑，有“毛刺”，大多CCD采光窗上落有灰塵?？赏ㄟ^轉(zhuǎn)動活動馬鞍座側(cè)面的旋鈕來移動CCD光強分布測量儀或改變光束的照射位置來解決這個問題。6.得到滿意的波形后，打開功率信號源的電源；7.微調(diào)轉(zhuǎn)角平臺旋鈕，改變激光束的入射角，可獲得布喇格衍射和喇曼納斯衍射。本實驗的聲光器件是為布喇格衍射條件設(shè)計制造的，并不滿足喇曼納斯衍射條件。如有條件，最好另配一個中心頻率為10MHz左右的聲光器件和功率信號源，專門研究喇曼納斯衍射。這里為降低成本，本實驗只對喇曼納斯衍射作定性觀察。8.實際調(diào)節(jié)時，可在CCD窗口前置一白紙，在紙上看到正確的圖形后再讓它射入采集窗口；9.在布喇格衍射條件下，