實驗一 聲光調(diào)制實驗

1、實驗一 聲光調(diào)制實驗早在本世紀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衍射現(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、聲光偏轉器和可調(diào)諧濾光器等，在激光技術、光信號處理和集成光通訊技術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。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

2、便等優(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、掌握聲光調(diào)制的基本原理。2、了解聲光器件的工作原理。3、了解布拉格聲光衍射和拉曼奈斯聲光衍射的區(qū)別。4、觀察布拉格聲光衍射現(xiàn)象。二、實驗原理（一）聲光調(diào)制的物理基礎1、彈光效應若有一超聲波通過某種均勻介質(zhì)，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質(zhì)。2、

3、聲光柵當聲波通過介質(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相位。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

4、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造，也就是駐波形式的光柵。首先考慮行波的情況，設平面縱聲波在介質(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 (1)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)對各向同性介質(zhì)，折射率分布為 (3)聲行波在某一瞬間是對介質(zhì)的作用情況如圖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，變化周期是聲波周期，同時又以聲速向前傳播。圖1 聲行波形成的超

5、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 (4)而介質(zhì)折射率為 (5) 圖2 聲駐波形成的超聲光柵因駐波效應(5)式中的應是(3)式的2倍。圖2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，聲波在一個周期Ts之內(nèi)，介質(zhì)呈現(xiàn)兩層疏密層結構，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

6、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)制及光偏轉的。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

7、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 (6)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 為拉曼奈斯衍射

8、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，而且與工作條件（s和0）有關。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-奈斯聲光衍射拉曼-奈斯聲光衍射的結果，使光波在原場分成一組衍射光，它們分別對應于

9、確定的衍射角m（即傳播方向）和衍射強度，這一組光是離散型的。各級衍射光對稱的分布在零級衍射光兩側，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，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）布拉格聲光衍射如果聲波頻率較高，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，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。（二）聲光調(diào)制原理1、聲光調(diào)制器

10、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3所示：圖3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

11、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，粘結和電極的作用。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

12、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。2、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，而且光束與聲波波面間以一定的角度斜入射時，光波在介質(zhì)中要穿過多個聲波面，故介質(zhì)具有“體光柵”的性質(zhì)。當入射光與聲波面間夾角滿足一定條件時，介質(zhì)內(nèi)各級衍射光將互相抵消，只出現(xiàn)0級和1級衍射光，即產(chǎn)生布拉格聲光衍射，如圖4所示。因此，若能合理選擇參數(shù)，超聲場足夠強，可使入射光能量幾乎全部轉移到+1級和-1級衍射極值上。因而光束能量可以得到充分利用，因此，利用布拉格衍射效應制成的聲光器件可以獲得較高的效率。圖4 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

13、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5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 (7)要使聲波面上所有點同時滿足這以條件，只有使 (8)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

14、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 (9)考慮到，所以或 (10)式中，i=d=B，B稱為布拉格角?？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系 (11)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換效率提供方便。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 (12)由于 ，注意到。因此，(12)式可寫為 (13)式

15、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， (14)其中有效應變Se同聲波場強度Is的關系是 (15)式中是聲速，是介質(zhì)密度。于是(13)式寫成 (16)或 (17)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(17)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小）的形式；(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

16、制衍射光強的目的，實現(xiàn)聲光調(diào)制。三、實驗步驟 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.聲光晶體盒 7.旋轉平臺 8.小孔光闌 9.橫向滑座 10.光電探測器圖6 系統(tǒng)裝置圖本實驗系統(tǒng)是由半導體激光器、聲光盒、小孔光闌、光電探測器以及聲光調(diào)制電源箱組成。光路的調(diào)節(jié)：(1) 按系統(tǒng)連接方法將半導體激光器、聲光調(diào)制器、光電探測器等組件連接到聲光調(diào)制電源箱上；(2) 在光具座上依次放置好半導體激光器、小孔光闌和光電探測器。同時固定小孔光闌的高度（使小孔光闌上下左右均可移動即可）；(3) 光路準直：打開電源開關，接通激光電源，調(diào)節(jié)電源箱上的激光強度旋鈕，使激光束達到足夠強

17、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，把小孔光闌拉移到半導體激光器附近，調(diào)整四維調(diào)整架上的旋鈕，使激光束通過小孔，再把小孔光闌移遠一些，基本是聲光調(diào)制器放置的位置，再次通過旋轉四維調(diào)整架上的旋鈕，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)制器放置于光具座上，載物平臺盡量靠近半導體激光器，調(diào)整好聲光調(diào)制器高度，使得激光束剛好通過通光孔；(5) 光電探測器固定在光具座尾端，調(diào)整光電探測器的高度，使得激光束落在光電探測器中心或與探測器中心在同一水平線上；(6) 把小孔光闌放置于靠近傳感器的位置，重新調(diào)整好小孔光闌的高度，使得光束通過小孔或與小

18、孔在同一水平線上。四、實驗內(nèi)容（一）、觀察聲光調(diào)制的衍射現(xiàn)象調(diào)節(jié)激光束的亮度，使在接收屏（即小孔光闌）上有清晰的光點呈現(xiàn)；打開聲光調(diào)制電壓至最大，此時以100MHz為中心頻率的超聲波開始對聲光晶體進行調(diào)制；微調(diào)載物平臺上聲光調(diào)制器的轉向，以改變聲光調(diào)制器的光束入射角，即可出現(xiàn)因聲光調(diào)制而出現(xiàn)的衍射光斑；仔細調(diào)節(jié)光束對聲光調(diào)制器的角度，當+1級（或者1級）衍射光最強時，聲光調(diào)制器運轉在布拉格衍射條件下；此時通過調(diào)節(jié)小孔光纜的橫向微調(diào)旋鈕時光強較強的+1或-1級衍射光通過小孔光闌，調(diào)節(jié)光電探測器的橫向微調(diào)旋鈕，使衍射光落在光電探測器的中心，以便達到最佳接收效果。注：布拉格衍射一級衍射達到極值的條件

19、是：1)控制電壓為一特定的值；2)入射激光必須以特定的角度布拉格角入射。（二）、觀察交流信號調(diào)制特性一級布拉格衍射光強I1和驅(qū)動高頻電壓振幅Um之間有如下關系由于調(diào)制電源是線性調(diào)制電源，所以驅(qū)動高頻電源Um和控制電壓u是成正比例的，因此一級衍射光強也可以改寫成如下形式從上式中可以看出只有當控制電壓為一定的值時一級衍射光強才能達到極值。所以打開信號發(fā)生器，輸入交流的正弦波信號。加法器把直流偏壓和信號發(fā)生器的交流電壓疊加在一起輸出到線性聲光調(diào)制器上，在示波器上可看到被調(diào)制的半導體激光的正弦波，同時通過改變線性直流偏壓，也就是改變衍射光的光強，從而得到不同衍射光強下的調(diào)制波形。如圖7所示 0.60v時的下失真波形 1.80v時的上失真波形 1.10v時的不失真波形 2.00v時的雙失真波形圖 7（三）、聲光調(diào)制與光通訊實驗演示 在驅(qū)動源輸入端加入外調(diào)制信號（如音頻信號、文字和圖像等），則衍射光強將隨次信號變化，從而達到控制激光傳輸特性的目的，實現(xiàn)模擬光通信。 1.10v時的不失真音頻信號 2.00v時的失真音頻信號圖8（四）、計