实验一---声光调制实验.doc

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1、Four short words sum up what has lifted most successful individuals above the crowd: a little bit more.-author-date实验一-声光调制实验实验一-声光调制实验实验一 声光调制实验早在本世纪30年代就开始了声光衍射的实验研究。60年代激光器的问世为声光衍射现象的研究提供了良好的光源，促进了声光效应理论和应用研究的迅速发展。声光效应为控制激光束的频率、方向和强度提供了一个有效的手段。利用声光效应制成的声光器件，如声光调制器、声光偏转器和可调谐滤光器等，在激光技术、光信号处理和集成光通讯技

2、术等方面有着重要应用。声光效应已广泛应用于声学、光学和光电子学。近年来，随着声光技术的不断发展，人们已广泛地开始采用声光器件在激光腔内进行锁膜或作为连续器件的Q 开关。由于声光器件具有输入电压低驱动功率小、温度稳定性好、能承受较大光功率、光学系统简单、响应时间快、控制方便等优点，加之新一代的优质声光材料的发现，使声光器件具有良好的发展前景，它将不断地满足工业、科学、军事等方面的需求。一、实验目的1、掌握声光调制的基本原理。2、了解声光器件的工作原理。3、了解布拉格声光衍射和拉曼奈斯声光衍射的区别。4、观察布拉格声光衍射现象。二、实验原理（一）声光调制的物理基础1、弹光效应若有一超声波通过某种均

3、匀介质，介质材料在外力作用下发生形变，分子间因相互作用力发生改变而产生相对位移，将引起介质内部密度的起伏或周期性变化，密度大的地方折射率大，密度小的地方折射率小，即介质折射率发生周期性改变。这种由于外力作用而引起折射率变化的现象称为弹光效应。弹光效应存在于一切物质。2、声光栅当声波通过介质传播时，介质就会产生和声波信号相应的、随时间和空间周期性变化的相位。这部分受扰动的介质等效为一个“相位光栅”。其光栅常数就是声波波长s，这种光栅称为超声光栅。声波在介质中传播时，有行波和驻波两种形式。特点是行波形成的超声光栅的栅面在空间是移动的，而驻波场形成的超声光栅栅面是驻立不动的。当超声波传播到声光晶体时

4、，它由一端传向另一端。到达另一端时，如果遇到吸声物质，超声波将被吸声物质吸收，而在声光晶体中形成行波。由于机械波的压缩和伸长作用，则在声光晶体中形成行波式的疏密相间的构造，也就是行波形式的光栅。当超声波传播到声光晶体时，它由一端传向另一端。如果遇见反声物质，超声波将被反声物质反射，在返回途中和入射波叠加而在声光晶体中形成驻波。由于机械波压缩伸长作用，在声光晶体中形成驻波形式的疏密相同的构造，也就是驻波形式的光栅。首先考虑行波的情况，设平面纵声波在介质中沿x方向传播，声波扰动介质中的质点位移可写成 (1)0是质点振动的振幅，s是声波频率，ks是声波波矢量的模。相应的应变场是 (2)对各向同性介质

5、，折射率分布为 (3)声行波在某一瞬间是对介质的作用情况如图1所示。图中密集区（黑）表示介质受到压缩，密度增大，相应的折射率也增大；稀疏区（白）表示介质密度变小，折射率减小。介质折射率增大或减小呈现交替变化，变化周期是声波周期，同时又以声速向前传播。图1 声行波形成的超声光栅对于驻波的情况，考虑两个相向传播的同频声行波的叠加，质点位移可以写成 (4)而介质折射率为 (5) 图2 声驻波形成的超声光栅因驻波效应(5)式中的应是(3)式的2倍。图2给出了声驻波情况下介质折射率的变化情况，其中在图中的曲线t+Ts/4和t+3Ts/4表示左、右行波。从图中可见，声波在一个周期Ts之内，介质呈现两层疏密

6、层结构，在波节处介质密度保持不变，因而在波腹处折射率每隔半个周期Ts/2就变化一次。这样，作为超声光栅，它将交替出现和消失，其交替变化的频率为原驻波周期的二倍，即2s。3、声光效应 声光效应是指光波在介质中传播时，被超声波场衍射或散射的现象。由于声波是一种弹性波，声波在介质中传播会产生弹性应力或应变，这种现象称为弹光效应。介质弹性形变导致介质密度交替变化，从而引起介质折射率的周期变化，并形成折射率光栅。当光波在介质中传播时，就会发生衍射现象，衍射光的强度、频率和方向等将随着超生场的变化而变化。声光调制就是基于这种效应来实现其光调制及光偏转的。4、声光衍射分类根据声波频率的高低和声光作用的超声场

7、长度的大小的不同，声光效应可以分为拉曼奈斯声光(Ram-Nath)衍射和布拉格(Bragg)衍射两种。（1）区分拉曼奈斯衍射和布拉格衍射的定量标准：从理论上说，拉曼奈斯衍射和布拉格衍射是在改变声光衍射参数时出现的两种极端情况。影响出现两种衍射情况的主要参数是声波长、光束入射角及声光作用距离L。为了给出区分两种衍射的定量标准，特引入参数G来表征 (6)当小且s大(G1)时，为布拉格衍射。为了寻求一个实用标准，即当G参数大到一定值后，除0级和+1级外，其他各级衍射光的强度都很小，可以忽略不计。达到这种情况时即认为已进入布拉格衍射区。经过多年的实践，现已普遍采用下列定量标准：(a) G4时为布拉格衍

8、射区(b) G时为拉曼奈斯衍射区 为便于应用，又引入量L0=scosi/s2/，则G=2L/L0。因此，上面的定量标准可以写成： (a) L2L0 为布拉格衍射区(b) LL0/2 为拉曼奈斯衍射区式中，L0称为声光器件的特征长度。引入了参数L0可使器件的设计十分简便。由于s=s/s和=0/n，故L0不仅与介质的性质（s和n）有关，而且与工作条件（s和0）有关。事实上，L0反映了声光互作用的主要特征。产生条件上的区别：表1 拉曼-奈斯衍射和布拉格衍射产生条件上的区别拉曼-奈斯衍射布拉格衍射声光作用长度较短声光作用长度较长超声波的频率较低超声波的频率较高光波垂直于声场传播的方向光束与声波波面间以

9、一定的角度斜入射此时的声光晶体相当于一个“平面光栅”此时的声光晶体相当于一个“立体光栅”现象上的区别:(1) 拉曼-奈斯声光衍射拉曼-奈斯声光衍射的结果，使光波在原场分成一组衍射光，它们分别对应于确定的衍射角m（即传播方向）和衍射强度，这一组光是离散型的。各级衍射光对称的分布在零级衍射光两侧，且同级次衍射光的强度相等。这是拉曼-奈斯衍射的主要特征之一。另外，无吸收时衍射光各级极值光强之和等于入射光强，即光功率是守恒的。（2）布拉格声光衍射如果声波频率较高，且声光作用长度较大，此时的声扰动介质也不再等效于平面位相光栅，而形成了立体位相光栅。这时，相对声波方向以一定角度入射的光波，其衍射光在介质内

10、相互干涉，使高级衍射光相互抵消，只出现0级和1级的衍射光，简言之，我们在屏上观察到的是0级光斑和+1级光非常亮或者0级光斑和-1级光很亮，而其它各级的光强却非常弱。（二）声光调制原理1、声光调制器的组成声光调制其实由声光介质、电-声换能器、吸声（或反射）装置、耦合介质及驱动电源等所组成。如图3所示：图3声光调制器(1)声光介质 声光介质是声光互作用的场所。当一束光通过变化的超声场时，由于光和超声场的作用，其出射光就具有随时间变化的各级衍射光，利用衍射光的强度随超声波强度的变化而变化的性质，就可以制成光强度调制器。(2)电-声换能器（又称超声发生器） 它是利用某些压电晶体（石英、LiNbO3等）

11、或压电半导体（CdS，ZnO等）的反压电效应，在外加电场作用下产生机械振动而形成超声波，所以它起着将电功率转换成声功率的作用。(3)吸声（或反射）装置 它放置在超声元的对面，用以吸收已通过介质的声波（工作于行波状态），以免返回介质产生干扰，但要使超声场工作在驻波状态，则需要将吸声装置换成声反射装置。(4)驱动电源 它用以产生调制电信号施加于电-声换能器的两端电极上，驱动声光调制器（换能器）工作。(5)耦合介质 为了能较小损耗地将超声能量传递到声光介质中去，换能器的声阻抗应该尽量接近介质的声阻抗，这样可以减小两者接触界面的反射损耗。实际上，调制器都是在两者之间加一过渡层耦合介质，它起三个作用：低

12、损耗传能，粘结和电极的作用。声光调制是利用声光效应将信息加载于光频载波上的一种物理过程。调制信号是以电信号（调幅）形式作用于电声换能器上而转化为以电信号形式变化的超声场，当光波通过声光介质时，由于声光作用，使光载波受到调制而成为“携带”信息的强度调制波。2、布拉格声光调制如果声波频率较高，且声光作用长度较大，而且光束与声波波面间以一定的角度斜入射时，光波在介质中要穿过多个声波面，故介质具有“体光栅”的性质。当入射光与声波面间夹角满足一定条件时，介质内各级衍射光将互相抵消，只出现0级和1级衍射光，即产生布拉格声光衍射，如图4所示。因此，若能合理选择参数，超声场足够强，可使入射光能量几乎全部转移到

13、+1级和-1级衍射极值上。因而光束能量可以得到充分利用，因此，利用布拉格衍射效应制成的声光器件可以获得较高的效率。图4 布拉格声光衍射下面从波的干涉加强条件来推导布拉格方程。为此，可把声波通过的介质近似看作许多相距s的部分反射、部分透射的镜面。对于行波场，这些镜面将以速度s沿x方向移动（因为mc所以在某一瞬间，超声场可近似看成是静止的，因而对衍射光的分布没影响）。对驻波超声场则完全是不动的。当平面波以i入射至声波场，在B、C、E各点处部分反射，产生衍射光。各衍射光相干增强的条件是它们之间的光程差应为其波长的整数倍，或者说必须同相位。图5表示在同一镜面上的衍射情况，入射光在B、C点的反射光同相位

14、的条件必须使光程差AC-BD等于光波波长的整数倍，即 (7)要使声波面上所有点同时满足这以条件，只有使 (8)即入射角等于衍射角才能实现。对于相距s的两个不同的镜面上的衍射情况，由上下面反射的反射光具有同相位的条件，其光程差FE+EG必须等于光波波长的整数倍，即 (9)考虑到，所以或 (10)式中，i=d=B，B称为布拉格角。可见，只有入射角等于布拉格角B时，在声波面上的光波才具有同相位，满足相干加强的条件，得到衍射极值，上式称为布拉格方程。由于发生布拉格声光衍射时，声光相互作用长度较大，属于体光栅情况。理论分析表明，在声波场的作用下入射光和衍射光之间存在如下关系 (11)式中Ei和Ej分别为

15、入射和衍射光场，这为我们描述两个光场的能量转换效率提供方便。定义：在作用距离L处衍射光强和入射光强之比为声光衍射效率，即 (12)由于 ，注意到。因此，(12)式可写为 (13)式中是传播距离L后位相改变量。引入有效弹光系数pe和有效应变Se， (14)其中有效应变Se同声波场强度Is的关系是 (15)式中是声速，是介质密度。于是(13)式写成 (16)或 (17)式中，是声光介质的物理参数组合，是由介质本身性质决定的量，称为声光材料的品质因数(或声光优质指标)，它是选择声光介质的主要指标之一。从(17)式可见：(a)若在超声功率Ps一定的情况下，欲使衍射光强尽量大，则要求选择M2大的材料，并

16、且，把换能器做成长面较窄（即L大H小）的形式；(b)如果超声功率足够大，使达到时，100%(c)当改变时，也随之改变，因而通过控制Ps(即控制加在电声换能器上的电功率)就可以达到控制衍射光强的目的，实现声光调制。三、实验步骤 1.调平底脚 2.导轨 3.滑座 4.四维调整架 5.半导体激光器 6.声光晶体盒 7.旋转平台 8.小孔光阑 9.横向滑座 10.光电探测器图6 系统装置图本实验系统是由半导体激光器、声光盒、小孔光阑、光电探测器以及声光调制电源箱组成。光路的调节：(1) 按系统连接方法将半导体激光器、声光调制器、光电探测器等组件连接到声光调制电源箱上；(2) 在光具座上依次放置好半导体

17、激光器、小孔光阑和光电探测器。同时固定小孔光阑的高度（使小孔光阑上下左右均可移动即可）；(3) 光路准直：打开电源开关，接通激光电源，调节电源箱上的激光强度旋钮，使激光束达到足够强度。用小孔光阑来调整光路，先将半导体激光器放置在导轨零点处锁定，把小孔光阑拉移到半导体激光器附近，调整四维调整架上的旋钮，使激光束通过小孔，再把小孔光阑移远一些，基本是声光调制器放置的位置，再次通过旋转四维调整架上的旋钮，使激光束通过小孔，反复调节，使得一定距离内激光束是平行光；(4) 将声光调制器放置于光具座上，载物平台尽量靠近半导体激光器，调整好声光调制器高度，使得激光束刚好通过通光孔；(5) 光电探测器固定在光

18、具座尾端，调整光电探测器的高度，使得激光束落在光电探测器中心或与探测器中心在同一水平线上；(6) 把小孔光阑放置于靠近传感器的位置，重新调整好小孔光阑的高度，使得光束通过小孔或与小孔在同一水平线上。四、实验内容（一）、观察声光调制的衍射现象调节激光束的亮度，使在接收屏（即小孔光阑）上有清晰的光点呈现；打开声光调制电压至最大，此时以100MHz为中心频率的超声波开始对声光晶体进行调制；微调载物平台上声光调制器的转向，以改变声光调制器的光束入射角，即可出现因声光调制而出现的衍射光斑；仔细调节光束对声光调制器的角度，当+1级（或者1级）衍射光最强时，声光调制器运转在布拉格衍射条件下；此时通过调节小孔

19、光缆的横向微调旋钮时光强较强的+1或-1级衍射光通过小孔光阑，调节光电探测器的横向微调旋钮，使衍射光落在光电探测器的中心，以便达到最佳接收效果。注：布拉格衍射一级衍射达到极值的条件是：1)控制电压为一特定的值；2)入射激光必须以特定的角度布拉格角入射。（二）、观察交流信号调制特性一级布拉格衍射光强I1和驱动高频电压振幅Um之间有如下关系由于调制电源是线性调制电源，所以驱动高频电源Um和控制电压u是成正比例的，因此一级衍射光强也可以改写成如下形式从上式中可以看出只有当控制电压为一定的值时一级衍射光强才能达到极值。所以打开信号发生器，输入交流的正弦波信号。加法器把直流偏压和信号发生器的交流电压叠加

20、在一起输出到线性声光调制器上，在示波器上可看到被调制的半导体激光的正弦波，同时通过改变线性直流偏压，也就是改变衍射光的光强，从而得到不同衍射光强下的调制波形。如图7所示 0.60v时的下失真波形 1.80v时的上失真波形 1.10v时的不失真波形 2.00v时的双失真波形图 7（三）、声光调制与光通讯实验演示 在驱动源输入端加入外调制信号（如音频信号、文字和图像等），则衍射光强将随次信号变化，从而达到控制激光传输特性的目的，实现模拟光通信。 1.10v时的不失真音频信号 2.00v时的失真音频信号图8（四）、计算声光调制偏转角定义1级光和0级光间的距离为d，声光调制器到接收孔之间的距离为L,由

21、于Ld，即可求出声光调制的偏转角：。（五）、测量超声波的波速Vs将超声波频率F，偏转角（利用实验四的结果）与激光波长代入，其中F=100MHz，将求出的一起带入上式即可求得。五、思考题1、什么是弹光效应和声光效应；2、简述布拉格声光调制实现的过程；3、产生布拉格声光衍射的条件是什么，布拉格声光衍射及拉曼-奈斯衍射的区别及联系。附录注意事项：1、调节过程中必须避免激光直射人眼，以免对眼睛造成危害。2、调节四维调整架时要轻调，不可用力过大，以免损坏调整架。3、供电电源应提供保护地线，示波器的地线需与系统良好连接。4、为防止强激光束长时间照射而导致光敏管疲劳或损坏，调节使用后需要随即用塑盖将光电接收

22、孔盖好。5、 声光晶体易碎要轻拿轻放，若两端面上落灰尘不可用力擦除。若长期不用，晶体要放在干燥器皿内保存。6、光电探测器是半导体器件应避免强光照射以免烧坏。做实验时光强应由弱到强缓慢改变，当出现饱和时可降低光强。7、仪器应放到干燥处保存，不宜在潮湿环境中使用。工作环境温度高于28度时连续工作不能超过4小时。技术指标：(1)声光调制器 声光介质：钼酸铅晶体 换能器介质：铌酸锂晶体 通光口径：1mm 中心频率：100MHz 衍射效率： 70%(2)激光光源 半导体激光器（=650nm）(3)光功率输出 02.5mW可调(4)交流电源 AC220v22v 50Hz(5)环境温度 040实验（五）参考答案：-