聲光調(diào)制試驗(yàn)

1、聲光調(diào)制實(shí)驗(yàn)【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?、了解聲光調(diào)制實(shí)驗(yàn)原理；2、研究聲場與光場相互作用的物理過程;3、測量聲光效應(yīng)的幅度特性和偏轉(zhuǎn)特性。【實(shí)驗(yàn)儀器及裝置】聲光調(diào)制實(shí)驗(yàn)儀（半導(dǎo)體激光器、聲光調(diào)制晶體、光電接收等）、示波器。圖5.1所示為聲光調(diào)制實(shí)驗(yàn)儀的結(jié)構(gòu)框圖。由圖可見，聲光調(diào)制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由光路與電路兩大單元組成。士口圖5.1聲光調(diào)制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框圖一、光路系統(tǒng)由激光管（L）、聲光調(diào)制晶體（AOM與光電接收（R）、CC現(xiàn)收等單元組裝在精密光具座上，構(gòu)成聲光調(diào)制儀的光路系統(tǒng)。注：本系統(tǒng)僅提供半導(dǎo)體激光管（包含電源）作為光源,如使用氮式激光管或其他激光源時(shí)，需另配置其它配套電源、電路系統(tǒng)除光電轉(zhuǎn)換接收部件外，其余電

2、路單元全部組裝在同一主控單元之中。批SANLINGSGTT型聲光調(diào)制實(shí)驗(yàn)儀華東中盅大學(xué)科致世圖5.2主控單元前面板圖5.2為電路單元的儀器前面板圖，各控制部件的作用如下:電源開關(guān)控制主電源，按通時(shí)開關(guān)指示燈亮，同時(shí)對(duì)半導(dǎo)體激光器供電。解調(diào)輸出插座解調(diào)信號(hào)的輸出插座，可送示波器顯示。解調(diào)幅度旋鈕用于調(diào)節(jié)解調(diào)監(jiān)聽與信號(hào)輸出的幅度。載波幅度旋鈕用于調(diào)節(jié)聲光調(diào)制的超聲信號(hào)功率。載波選擇開關(guān)用于對(duì)聲光調(diào)制超聲源的選擇:關(guān)一一無聲光調(diào)制80MHz-使用80MHz晶振的聲光調(diào)制I6080MHz聲光調(diào)制n80100MHz聲光調(diào)制載波頻率旋鈕用以調(diào)節(jié)聲光調(diào)制的超聲信號(hào)頻率。調(diào)制監(jiān)視插座將調(diào)制信號(hào)輸出到示波器顯示

3、的插座。（輸出波形既可與解調(diào)信號(hào)進(jìn)行比較，也可呈現(xiàn)出射光的能量分布狀態(tài)）*外調(diào)輸入插座用于對(duì)聲光調(diào)制的載波信號(hào)進(jìn)行音頻調(diào)制的插座。（插入外來信號(hào)時(shí)1kHz內(nèi)置的音頻信號(hào)自動(dòng)斷開）調(diào)制幅度旋鈕用以調(diào)節(jié)音頻調(diào)制信號(hào)的幅度。接收光強(qiáng)指示數(shù)字顯示經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后光信號(hào)大小。載波電壓指示數(shù)字顯示聲光調(diào)制的超聲信號(hào)幅度。載波頻率指示數(shù)字顯示聲光調(diào)制的超聲信號(hào)頻率。圖5.3控制單元后面板圖5.3為電路單元的儀器后面板圖，板面各插座的功能如下： 交流電源右側(cè)下部為標(biāo)準(zhǔn)三芯電源插座，用以連接220V交流市電，插座上方系保護(hù)電源用的熔絲。 至接收器與光電接收器連接的接口插座。 載波輸出輸出超聲功率至聲光調(diào)制器的插座。

4、 激光器電源供半導(dǎo)體激光器用的電源輸出插座。 解調(diào)監(jiān)聽直接送有源揚(yáng)聲器發(fā)聲的輸出插座。三、系統(tǒng)連接1、光源將半導(dǎo)體激光器電源線纜插入主控單元后面板的“激光器電源”插座中。（如使用He-Ne激光管，需自配電源，且其輸出直流高壓務(wù)必按正負(fù)極性正確連接）2、聲光調(diào)制由聲光調(diào)制器的BNC插座引出的同軸電纜插入主控單元后面板的“載波輸出”插座上。3、光電接收將光電接收部件（位于光具座末端）的多芯電纜連接到主控單元后面板的“至接收器”航空插座上，以便將光電接收信號(hào)送到主控單元。4、解調(diào)輸出光電接收信號(hào)由“解調(diào)輸出”插座輸出，主控單元中的內(nèi)置信號(hào)（或外調(diào)輸入信號(hào)）由“調(diào)制監(jiān)視”插座輸出。以上兩信號(hào)可同時(shí)送入

5、雙蹤示波器顯示或進(jìn)行比較。5、揚(yáng)聲器將有源揚(yáng)聲器插入后面板的“解調(diào)監(jiān)聽”插座即可發(fā)聲，音量由有源揚(yáng)聲器中的音量控制旋鈕控制。（音量大小也與“載波幅度”與“解調(diào)幅度”旋鈕有關(guān)）3【實(shí)驗(yàn)原理】當(dāng)聲波在某些介質(zhì)中傳播時(shí)，會(huì)隨時(shí)間與空間的周期性的彈性應(yīng)變，造成介質(zhì)密度（或光折射率）的周期變化。介質(zhì)隨超聲應(yīng)變與折射率變化的這一特性，可使光在介質(zhì)中傳播時(shí)發(fā)生衍射，從而產(chǎn)生聲光效應(yīng)：存在于超聲波中的此類介質(zhì)可視為一種由聲波形成的位相光柵（稱為聲光柵），其光柵的柵距（光柵常數(shù)）即為聲波波長。當(dāng)一束平行光束通過聲光介質(zhì)時(shí)，光波就會(huì)被該聲光柵所衍射而改變光的傳播方向，并使光強(qiáng)在空間作重新分布。聲光器件由聲光介質(zhì)和

6、換能器兩部分組成。前者常用的有鋁酸鉛（PM）、氧化硫等，后者為由射頻壓電換能器組成白超聲波發(fā)生器。如圖5.4所示為聲光調(diào)制原理圖。聲波吸收器射頻信號(hào)圖1圖聲光調(diào)制原理（理理論分析指出，當(dāng)入射角（入射光與超聲波面間的夾角）包滿足以下條件時(shí)，衍射光最強(qiáng)。(5.1)式中N為衍射光的級(jí)數(shù)，九、k分別為入射光的波長和波數(shù)k=、，鼠與K分別為超2二聲波的波長和波數(shù)K=。聲光衍射主要分為布拉格（Bragg）衍射和喇曼-奈斯（Raman-Nath）衍射兩種類型。前者通常聲頻較高，聲光作用程較長；后者則反之。由于布拉格衍射效率較高，故一般聲光器件主要工作在僅出現(xiàn)一級(jí)光（N=1）的布拉格區(qū)。滿足布拉格衍射的條件是

7、：FSini,=（5.2）二2s（式中F與隊(duì)分別為超聲波的頻率與速度，九為光波的波長）當(dāng)滿足入射角4較小，且R=B的布拉格衍射條件下，由（5.1）式可知，此時(shí)K為定，并有最強(qiáng)的正一級(jí)（或負(fù)一級(jí)）的衍射光呈現(xiàn)。2k入射（掠射）角仇與衍射角eB之和稱為偏轉(zhuǎn)角9d（參見圖5.4）,由（5.2）式:K(5.3),%=2%=KBBk由此可見，當(dāng)聲波頻率F改變時(shí)，衍射光的方向亦將隨之線性地改變。Vs同時(shí)由此也可求得超聲波在介質(zhì)中的傳播速度為:(5.4)【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟】一、實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備1、按圖5.1的系統(tǒng)組成圖先在光具座的滑座上放置好激光器和光電接收器。2、所有滑動(dòng)座中心全部調(diào)至零位，并用固定螺絲鎖緊，使光器

8、件初步共軸。光電接收器的軸心要與光具座中心線平行，并安置好聲光調(diào)制器的載物臺(tái)。注意使各滑座的?？潭忍幵诠饩咦闹行奈恢谩y微螺旋初始值最好在1015mm間。3、光路準(zhǔn)直：（1）打開激光電源，調(diào)節(jié)激光電位器使激光束有足夠強(qiáng)度。調(diào)節(jié)激光器架上的三只夾持螺釘使激光束基本保持水平，用直尺量激光器光源輸出口高度與光電接收器中心高度，使二者等高。此時(shí)激光器頭部保持固定。（2）調(diào)節(jié)激光器尾部的夾持螺釘，使激光束的光點(diǎn)保持在接收器的塑蓋中心位置上（去除蓋子則光強(qiáng)指示最大），此后激光器與接收器的位置不宜再動(dòng)。54、按系統(tǒng)連接方法將激光器、聲光調(diào)制器、光電接收等組件連接到位。5、用所提供的電纜線分別將前面板的“調(diào)

9、制監(jiān)視”與“解調(diào)輸出”插座與雙蹤示波器的事、Yn輸入端相連，移去接收器塑蓋時(shí)，接收光強(qiáng)指示表應(yīng)有讀數(shù)。6、將聲光調(diào)制器的透光孔置于載物平臺(tái)的中心位置，用壓桿將調(diào)制器初步固定，然后使該滑座在靠近激光管附近的導(dǎo)軌內(nèi)就位。7、調(diào)節(jié)載物平臺(tái)的高度和轉(zhuǎn)向，使激光束恰在聲光調(diào)制器的透光孔中間穿過，再用壓桿將聲光調(diào)制器緊固定。載物平臺(tái)的轉(zhuǎn)向應(yīng)在土10。以內(nèi)。8、將光電接收器前端的彈簧鋼絲夾夾持住白色像屏。二、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象觀察及數(shù)據(jù)測量1、觀察聲光調(diào)制的偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象(1)調(diào)節(jié)激光束的亮度，使在像屏中心有明晰的光點(diǎn)呈現(xiàn)，此即為聲光調(diào)制的0級(jí)光斑。(2)打開載波選擇開關(guān)，撥至“80MH3的檔級(jí)，調(diào)節(jié)"載波巾昌度

10、”旋鈕，此時(shí)80MHz的超聲波即對(duì)聲光介質(zhì)進(jìn)行調(diào)制。(3)微調(diào)載物平臺(tái)上聲光調(diào)制器的轉(zhuǎn)向，以改變聲光調(diào)制器的光點(diǎn)入射角，即可出現(xiàn)因聲光調(diào)制而偏轉(zhuǎn)的衍射光斑。當(dāng)一級(jí)衍射光最強(qiáng)時(shí)，聲光調(diào)制器即運(yùn)轉(zhuǎn)在布拉格條件下的偏轉(zhuǎn)狀態(tài)。注：仔細(xì)調(diào)節(jié)光束對(duì)聲光調(diào)制器的角度可使衍射光強(qiáng)達(dá)最大值。2、測試聲光調(diào)制的幅度特性(1)取去像屏，使激光束的0級(jí)光仍落在光敏接收孔的中心位置上。(2)微調(diào)接收器滑座的測微機(jī)構(gòu)，使接收孔橫向移動(dòng)到一級(jí)光的位置(監(jiān)視“接收光強(qiáng)指示”表使其達(dá)最大值)。注：為獲得較好的線性效果，應(yīng)控制激光功率，不使接收光強(qiáng)飽和，其接收光強(qiáng)指示的最大值應(yīng)在5.8的讀數(shù)范圍內(nèi)。(3)將載波選擇開關(guān)撥至“80

11、MHZ的檔級(jí)，調(diào)節(jié)“載波幅度”旋鈕，分別讀出載波電壓與接收光強(qiáng)的大小，畫出光強(qiáng)調(diào)制電壓的關(guān)系曲線(IdUm)。3、觀察聲光調(diào)制隨頻率偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象(1)按測試“聲光調(diào)制幅度特性”的步序，先將“載波選擇”置于“關(guān)”的位置，記下接收器滑座橫向測微計(jì)在0級(jí)時(shí)的讀數(shù)d。（2）將“載波選擇”開關(guān)置于I和n的位置，可以觀察到1級(jí)光（或多級(jí)光）的平移變化現(xiàn)象。4、測試聲光調(diào)制頻率偏轉(zhuǎn)特性（1）將“載波選擇”開關(guān)置于I和n的位置，調(diào)節(jié)“載波頻率”旋鈕，微調(diào)接收器橫向測微計(jì)，使其始終跟蹤一級(jí)光的位置。分別記下載波頻率指示F與測微計(jì)讀數(shù)dio待測得1級(jí)光和0級(jí)光點(diǎn)間的距離d與聲光調(diào)制器到接收孔之間的距離L（由導(dǎo)軌面上標(biāo)

12、尺讀出）后，由于L>>d,即可求出聲光調(diào)制的偏轉(zhuǎn)角：r.ddL畫出偏轉(zhuǎn)角一一調(diào)制頻率的關(guān)系曲線（。dF）。（2）測得各調(diào)制頻率F值所對(duì)應(yīng)的彳行射光強(qiáng)此畫出衍射光強(qiáng)調(diào)制頻率的關(guān)系曲線（IdF）,該曲線中的Id峰值Idmax應(yīng)與中心頻率相對(duì)應(yīng)，而其與下降3dB所對(duì)應(yīng)的頻率差即為聲光調(diào)制器的帶寬。注：改變頻率時(shí)載波幅度會(huì)跟著改變，應(yīng)隨時(shí)調(diào)節(jié)“載波幅度”旋鈕，以盡量保持調(diào)制幅度（載波電壓表指示讀數(shù)）一致。5、測量聲光調(diào)制器的衍射效率衍射效率Y定義為：”=4坐o即最大衍射光強(qiáng)Idmax與0級(jí)光強(qiáng)I0之比，分別測得最強(qiáng)衍射光與0級(jí)光的光強(qiáng)值，其比值即為衍射效率。6、測量超聲波的波速將超聲波頻率

13、F（80MH/、偏轉(zhuǎn)角”與激光波長九（630680nm,可取650nnj）各值代入公式Vs,即可計(jì)算出超聲波在介質(zhì)中的傳播速度Vs。三、聲光調(diào)制與光通訊實(shí)驗(yàn)演示（可選做）將音頻信號(hào)（來自廣播收音機(jī)、錄音機(jī)、CD機(jī)等音源）輸入到本機(jī)的“外調(diào)輸入”插座，將揚(yáng)聲器插入主控單元后面板的“解調(diào)監(jiān)聽”插座，打開載波選擇開關(guān)至80MHz檔位，適當(dāng)調(diào)節(jié)載波幅度與解調(diào)幅度即可使揚(yáng)聲器播放出音響節(jié)目。注：上揚(yáng)聲器播音的同時(shí)，亦可由示波器監(jiān)視調(diào)制波形和解調(diào)波形如需觀察載波或調(diào)幅波信號(hào)需用頻響100MHz以上的示波器【實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與分析】1、測試聲光調(diào)制的幅度特性表5.1聲光調(diào)制幅度特性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表載波幅度Um(V)0

14、0.511.522.5一級(jí)衍射光光強(qiáng)Id0.150.170.581.061.752.37載波幅度Um(V)33.544.555.5一級(jí)衍射光光強(qiáng)Id3.214.124.875.125.265.32作IdUm曲線。一級(jí)前射光光強(qiáng)Id聲光調(diào)制幅度特性4-111I0123456載波幅度Um(V)2、測試聲光調(diào)制頻率偏轉(zhuǎn)特性零級(jí)光位置d0=11.230mm;聲光調(diào)制器與接U孔間的距離L=46.0cm。表5.2聲光調(diào)制偏轉(zhuǎn)角與調(diào)制頻率實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表載波頻率F(MHz)60708090100一級(jí)。丁射光位直d1(mm)7.1136.5115.8095.0124.563品巨離d=|d1-d0|4.1174.71

15、95.4216.2186.667偏轉(zhuǎn)角。d=d/L0.00890.01030.01180.01350.01458作0d-F曲線。一一偏轉(zhuǎn)角9dH出|聲光調(diào)制偏轉(zhuǎn)角與調(diào)制頻率0.015i0.014J0013L0012-0.011-0.010-0.009-0.008-60708090100載波頻率F(MHz)表5.3聲光調(diào)制衍射光強(qiáng)與調(diào)制頻率實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表載波頻率F(MHz)60708090100一級(jí)衍射光光強(qiáng)Id0.770.891.252.730.82氧1r聲光調(diào)制衍射光強(qiáng)與調(diào)制頻率708090100載波頻率FGHz)作IdF曲線。3、測量聲光調(diào)制器的衍射效率最大衍射光強(qiáng)Idmax=2.73A;0級(jí)

16、光強(qiáng)10=5.13V;衍射效率Y=53.21%。4、測量超聲波的波速超聲波在介質(zhì)中的傳播速度Vs=403.3m/s?！緦?shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)】1、為防止強(qiáng)激光束長時(shí)間照射而導(dǎo)致光敏管疲勞或損壞，調(diào)節(jié)或使用后請(qǐng)隨即用塑蓋將光電接收孔蓋好。2、調(diào)節(jié)過程中必須避免激光直射人眼，以免對(duì)眼睛造成危害。3、調(diào)節(jié)半導(dǎo)體激光器功率時(shí)，不要用力過大而損壞功率調(diào)節(jié)旋鈕。4、調(diào)節(jié)載物平臺(tái)的轉(zhuǎn)向應(yīng)在土10°以內(nèi)。5、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的單位和精度要求：角度單位為rad,螺旋測微器和標(biāo)尺都需要估讀一位?！緦?shí)驗(yàn)思考題】1、敘述聲光衍射的基本原理，說明布拉格衍射和喇曼-奈斯衍射的區(qū)別。答：聲光衍射基本原理：當(dāng)聲波在某介質(zhì)中傳播時(shí)，會(huì)隨時(shí)間與空間的周期性發(fā)生彈性應(yīng)變，造成介質(zhì)密度的周期性變化。介質(zhì)隨超聲應(yīng)變