實(shí)驗(yàn)一聲光調(diào)制實(shí)驗(yàn)

1、實(shí)驗(yàn)一 聲光調(diào)制實(shí)驗(yàn)早在本世紀(jì)30年代就開(kāi)始了聲光衍射的實(shí)驗(yàn)研究。60年代激光器的問(wèn)世為聲光衍射現(xiàn)象的研究提供了良好的光源，促進(jìn)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(qiáng)度提供了一個(gè)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)諧濾光器等，在激光技術(shù)、光信號(hào)處理和集成光通訊技術(shù)等方面有著重要應(yīng)用。聲光效應(yīng)已廣泛應(yīng)用于聲學(xué)、光學(xué)和光電子學(xué)。近年來(lái)，隨著聲光技術(shù)的不斷發(fā)展，人們已廣泛地開(kāi)始采用聲光器件在激光腔內(nèi)進(jìn)行鎖膜或作為連續(xù)器件的Q 開(kāi)關(guān)。由于聲光器件具有輸入電壓低驅(qū)動(dòng)功率小、溫度穩(wěn)定性好、能承受較大光功率、光學(xué)系統(tǒng)簡(jiǎn)單、響應(yīng)時(shí)間快、控制方

2、便等優(yōu)點(diǎn)，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(mǎn)足工業(yè)、科學(xué)、軍事等方面的需求。一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、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(shí)驗(yàn)原理（一）聲光調(diào)制的物理基礎(chǔ)1、彈光效應(yīng)若有一超聲波通過(guò)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(duì)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(chēng)為彈光效應(yīng)。彈光效應(yīng)存在于一切物質(zhì)。2、

3、聲光柵當(dāng)聲波通過(guò)介質(zhì)傳播時(shí)，介質(zhì)就會(huì)產(chǎn)生和聲波信號(hào)相應(yīng)的、隨時(shí)間和空間周期性變化的相位。這部分受擾動(dòng)的介質(zhì)等效為一個(gè)“相位光柵”。其光柵常數(shù)就是聲波波長(zhǎng)s，這種光柵稱(chēng)為超聲光柵。聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，有行波和駐波兩種形式。特點(diǎn)是行波形成的超聲光柵的柵面在空間是移動(dòng)的，而駐波場(chǎng)形成的超聲光柵柵面是駐立不動(dòng)的。當(dāng)超聲波傳播到聲光晶體時(shí)，它由一端傳向另一端。到達(dá)另一端時(shí)，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(jī)械波的壓縮和伸長(zhǎng)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(dāng)超聲波傳播到聲光晶體時(shí)，它由一端傳向另一端。如果遇見(jiàn)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(jī)械波壓縮伸長(zhǎng)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(dòng)介質(zhì)中的質(zhì)點(diǎn)位移可寫(xiě)成 (1)0是質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的振幅，s是聲波頻率，ks是聲波波矢量的模。相應(yīng)的應(yīng)變場(chǎng)是 (2)對(duì)各向同性介質(zhì)，折射率分布為 (3)聲行波在某一瞬間是對(duì)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(yīng)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(shí)又以聲速向前傳播。圖1 聲行波形成的超

5、聲光柵對(duì)于駐波的情況，考慮兩個(gè)相向傳播的同頻聲行波的疊加，質(zhì)點(diǎn)位移可以寫(xiě)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(yīng)(5)式中的應(yīng)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(xiàn)t+Ts/4和t+3Ts/4表示左、右行波。從圖中可見(jiàn)，聲波在一個(gè)周期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(gè)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(yīng) 聲光效應(yīng)是指光波在介質(zhì)中傳播時(shí)，被超聲波場(chǎng)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(huì)產(chǎn)生彈性應(yīng)力或應(yīng)變，這種現(xiàn)象稱(chēng)為彈光效應(yīng)。介質(zhì)彈性形變導(dǎo)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(dāng)光波在介質(zhì)中傳播時(shí)，就會(huì)發(fā)生衍射現(xiàn)象，衍射光的強(qiáng)度、頻率和方向等將隨著超生場(chǎng)的變化而變化。聲光調(diào)制就是基于這種效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)其光調(diào)制及光偏轉(zhuǎn)的。4、聲光衍射分類(lèi)根據(jù)聲波頻率的高低和聲光作用的超聲場(chǎng)長(zhǎng)度的大小的不同，聲光效應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)：從理論上說(shuō)，拉曼奈斯衍射和布拉格衍射是在改變聲光衍射參數(shù)時(shí)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(zhǎng)、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(biāo)準(zhǔn)，特引入?yún)?shù)G來(lái)表征 (6)當(dāng)小且s大(G<<1)時(shí)，為拉曼奈斯衍射；而當(dāng)L大且s小(G>>1)時(shí)，為布拉格衍射。為了尋求一個(gè)實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)，即當(dāng)G參數(shù)大到一定值后，除0級(jí)和+1級(jí)外，其他各級(jí)衍射光的強(qiáng)度都很小，可以忽略不計(jì)。達(dá)到這種情況時(shí)即認(rèn)為已進(jìn)入布拉格衍射區(qū)。經(jīng)過(guò)多年的實(shí)踐，現(xiàn)已普遍采用下列定量標(biāo)準(zhǔn)：(a) G4時(shí)為布拉格衍射區(qū)(b) G時(shí)為拉曼奈斯衍射區(qū) 為便于應(yīng)用，又引入量L0=scosi/s2/，則G=2L/L0。因此，上面的定量標(biāo)準(zhǔn)可以寫(xiě)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(chēng)為聲光器件的特征長(zhǎng)度。引入了參數(shù)L0可使器件的設(shè)計(jì)十分簡(jiǎn)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(shí)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(zhǎng)度較短聲光作用長(zhǎng)度較長(zhǎng)超聲波的頻率較低超聲波的頻率較高光波垂直于聲場(chǎng)傳播的方向光束與聲波波面間以一定的角度斜入射此時(shí)的聲光晶體相當(dāng)于一個(gè)“平面光柵”此時(shí)的聲光晶體相當(dāng)于一個(gè)“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(jié)果，使光波在原場(chǎng)分成一組衍射光，它們分別對(duì)應(yīng)于

9、確定的衍射角m（即傳播方向）和衍射強(qiáng)度，這一組光是離散型的。各級(jí)衍射光對(duì)稱(chēng)的分布在零級(jí)衍射光兩側(cè)，且同級(jí)次衍射光的強(qiáng)度相等。這是拉曼-奈斯衍射的主要特征之一。另外，無(wú)吸收時(shí)衍射光各級(jí)極值光強(qiáng)之和等于入射光強(qiáng)，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(zhǎng)度較大，此時(shí)的聲擾動(dòng)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(shí)，相對(duì)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(jí)衍射光相互抵消，只出現(xiàn)0級(jí)和1級(jí)的衍射光，簡(jiǎn)言之，我們?cè)谄辽嫌^察到的是0級(jí)光斑和+1級(jí)光非常亮或者0級(jí)光斑和-1級(jí)光很亮，而其它各級(jí)的光強(qiáng)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(shí)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(dòng)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(chǎng)所。當(dāng)一束光通過(guò)變化的超聲場(chǎng)時(shí)，由于光和超聲場(chǎng)的作用，其出射光就具有隨時(shí)間變化的各級(jí)衍射光，利用衍射光的強(qiáng)度隨超聲波強(qiáng)度的變化而變化的性質(zhì)，就可以制成光強(qiáng)度調(diào)制器。(2)電-聲換能器（又稱(chēng)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(dǎo)體（CdS，ZnO等）的反壓電效應(yīng)，在外加電場(chǎng)作用下產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)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(duì)面，用以吸收已通過(guò)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(chǎng)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(dòng)電源 它用以產(chǎn)生調(diào)制電信號(hào)施加于電-聲換能器的兩端電極上，驅(qū)動(dòng)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(yīng)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(shí)際上，調(diào)制器都是在兩者之間加一過(guò)渡層耦合介質(zhì)，它起三個(gè)作用：低損耗傳能，粘結(jié)和電極的作用。聲光調(diào)制是利用聲光效應(yīng)將信息加載于光頻載波上的一種物理過(guò)程。調(diào)制信號(hào)是以電信號(hào)（調(diào)幅）形式作用于電聲換能器上而轉(zhuǎn)化為以電信號(hào)形式變化的超聲場(chǎng)，當(dāng)光波通過(guò)聲光介質(zhì)時(shí)，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(qiáng)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(zhǎng)度較大，而且光束與聲波波面間以一定的角度斜入射時(shí)，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)。當(dāng)入射光與聲波面間夾角滿(mǎn)足一定條件時(shí)，介質(zhì)內(nèi)各級(jí)衍射光將互相抵消，只出現(xiàn)0級(jí)和1級(jí)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(chǎng)足夠強(qiáng)，可使入射光能量幾乎全部轉(zhuǎn)移到+1級(jí)和-1級(jí)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(yīng)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(qiáng)條件來(lái)推導(dǎo)布拉格方程。為此，可把聲波通過(guò)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(duì)于行波場(chǎng)，這些鏡面將以速度s沿x方向移動(dòng)（因?yàn)閙<<c所以在某一瞬間，超聲場(chǎng)可近似看成是靜止的，因而對(duì)衍射光的分布沒(méi)影響）。對(duì)駐波超聲場(chǎng)則完全是不動(dòng)的。當(dāng)平面波以i入射至聲波場(chǎng)，在B、C、E各點(diǎn)處部分反射，產(chǎn)生衍射光。各衍射光相干增強(qiáng)的條件是它們之間的光程差應(yīng)為其波長(zhǎng)的整數(shù)倍，或者說(shuō)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(diǎn)的反射光同相位的條件必須使光程差A(yù)C-BD等于光波波長(zhǎng)的整數(shù)倍，即 (7)要使聲波面上所有點(diǎn)同時(shí)滿(mǎn)足這以條件，只有使 (8)即入射角等于衍射角才能實(shí)現(xiàn)。對(duì)于相距s的兩個(gè)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(zhǎng)的整數(shù)倍，即 (9)考慮到，所以或 (10)式中，i=d=B，B稱(chēng)為布拉格角?？梢?jiàn)，只有入射角等于布拉格角B時(shí)，在聲波面上的光波才具有同相位，滿(mǎn)足相干加強(qiáng)的條件，得到衍射極值，上式稱(chēng)為布拉格方程。由于發(fā)生布拉格聲光衍射時(shí)，聲光相互作用長(zhǎng)度較大，屬于體光柵情況。理論分析表明，在聲波場(chǎng)的作用下入射光和衍射光之間存在如下關(guān)系 (11)式中Ei和Ej分別為入射和衍射光場(chǎng)，這為我們描述兩個(gè)光場(chǎng)的能量轉(zhuǎn)換效率提供方便。定義：在作用距離L處衍射光強(qiáng)和入射光強(qiáng)之比為聲光衍射效率，即 (12)由于 ，注意到。因此，(12)式可寫(xiě)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(yīng)變Se， (14)其中有效應(yīng)變Se同聲波場(chǎng)強(qiáng)度Is的關(guān)系是 (15)式中是聲速，是介質(zhì)密度。于是(13)式寫(xiě)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(chēng)為聲光材料的品質(zhì)因數(shù)(或聲光優(yōu)質(zhì)指標(biāo))，它是選擇聲光介質(zhì)的主要指標(biāo)之一。從(17)式可見(jiàn)：(a)若在超聲功率Ps一定的情況下，欲使衍射光強(qiáng)盡量大，則要求選擇M2大的材料，并且，把換能器做成長(zhǎng)面較窄（即L大H?。┑男问?；(b)如果超聲功率足夠大，使達(dá)到時(shí)，100%(c)當(dāng)改變時(shí)，也隨之改變，因而通過(guò)控制Ps(即控制加在電聲換能器上的電功率)就可以達(dá)到控

16、制衍射光強(qiáng)的目的，實(shí)現(xiàn)聲光調(diào)制。三、實(shí)驗(yàn)步驟 1.調(diào)平底腳 2.導(dǎo)軌 3.滑座 4.四維調(diào)整架 5.半導(dǎo)體激光器 6.聲光晶體盒 7.旋轉(zhuǎn)平臺(tái) 8.小孔光闌 9.橫向滑座 10.光電探測(cè)器圖6 系統(tǒng)裝置圖本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是由半導(dǎo)體激光器、聲光盒、小孔光闌、光電探測(cè)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(dǎo)體激光器、聲光調(diào)制器、光電探測(cè)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(dǎo)體激光器、小孔光闌和光電探測(cè)器。同時(shí)固定小孔光闌的高度（使小孔光闌上下左右均可移動(dòng)即可）；(3) 光路準(zhǔn)直：打開(kāi)電源開(kāi)關(guān)，接通激光電源，調(diào)節(jié)電源箱上的激光強(qiáng)度旋鈕，使激光束達(dá)到足夠強(qiáng)

17、度。用小孔光闌來(lái)調(diào)整光路，先將半導(dǎo)體激光器放置在導(dǎo)軌零點(diǎn)處鎖定，把小孔光闌拉移到半導(dǎo)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(guò)小孔，再把小孔光闌移遠(yuǎn)一些，基本是聲光調(diào)制器放置的位置，再次通過(guò)旋轉(zhuǎn)四維調(diào)整架上的旋鈕，使激光束通過(guò)小孔，反復(fù)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(tái)盡量靠近半導(dǎo)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(guò)通光孔；(5) 光電探測(cè)器固定在光具座尾端，調(diào)整光電探測(cè)器的高度，使得激光束落在光電探測(cè)器中心或與探測(cè)器中心在同一水平線(xiàn)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(guò)小孔或與小

18、孔在同一水平線(xiàn)上。四、實(shí)驗(yàn)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(diǎn)呈現(xiàn)；打開(kāi)聲光調(diào)制電壓至最大，此時(shí)以100MHz為中心頻率的超聲波開(kāi)始對(duì)聲光晶體進(jìn)行調(diào)制；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(xì)調(diào)節(jié)光束對(duì)聲光調(diào)制器的角度，當(dāng)+1級(jí)（或者1級(jí)）衍射光最強(qiáng)時(shí)，聲光調(diào)制器運(yùn)轉(zhuǎn)在布拉格衍射條件下；此時(shí)通過(guò)調(diào)節(jié)小孔光纜的橫向微調(diào)旋鈕時(shí)光強(qiáng)較強(qiáng)的+1或-1級(jí)衍射光通過(guò)小孔光闌，調(diào)節(jié)光電探測(cè)器的橫向微調(diào)旋鈕，使衍射光落在光電探測(cè)器的中心，以便達(dá)到最佳接收效果。注：布拉格衍射一級(jí)衍射達(dá)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(hào)調(diào)制特性一級(jí)布拉格衍射光強(qiáng)I1和驅(qū)動(dòng)高頻電壓振幅Um之間有如下關(guān)系由于調(diào)制電源是線(xiàn)性調(diào)制電源，所以驅(qū)動(dòng)高頻電源Um和控制電壓u是成正比例的，因此一級(jí)衍射光強(qiáng)也可以改寫(xiě)成如下形式從上式中可以看出只有當(dāng)控制電壓為一定的值時(shí)一級(jí)衍射光強(qiáng)才能達(dá)到極值。所以打開(kāi)信號(hào)發(fā)生器，輸入交流的正弦波信號(hào)。加法器把直流偏壓和信號(hào)發(fā)生器的交流電壓疊加在一起輸出到線(xiàn)性聲光調(diào)制器上，在示波器上可看到被調(diào)制的半導(dǎo)體激光的正弦波，同時(shí)通過(guò)改變線(xiàn)性直流偏壓，也就是改變衍射光的光強(qiáng)，從而得到不同衍射光強(qiáng)下的調(diào)制波形。如圖7所示0.60v時(shí)的下失真波形 1.80v時(shí)的上失真波形1.10v時(shí)的不失真波形 2.00v時(shí)的雙失真波形圖 7（三）、聲光調(diào)制與光通訊實(shí)驗(yàn)演示 在驅(qū)動(dòng)源輸入端加入外調(diào)制信號(hào)（如音頻信號(hào)、文字和圖像等），則衍射光強(qiáng)將隨次信號(hào)變化，從而達(dá)到控制激光傳輸特性的目的，實(shí)現(xiàn)模擬光通信。1.10v時(shí)的不失真音頻信號(hào) 2.00v時(shí)的失真音頻信號(hào)圖8（四）、計(jì)