聲光調制實驗

1、聲光調制實驗【實驗目的】1、了解聲光調制實驗原理；2、研究聲場與光場相互作用的物理過程；3、測量聲光效應的幅度特性和偏轉特性?！緦嶒瀮x器及裝置】聲光調制實驗儀（半導體激光器、聲光調制晶體、光電接收等）、示波器。圖5.1所示為聲光調制實驗儀的結構框圖。由圖可見，聲光調制實驗系統(tǒng)由光路與電路兩大單元組成。圖5.1聲光調制實驗系統(tǒng)框圖一、光路系統(tǒng)由激光管（L）、聲光調制晶體（AOM）與光電接收（R）、CCD接收等單元組裝在精密光具座上，構成聲光調制儀的光路系統(tǒng)。注：本系統(tǒng)僅提供半導體激光管（包含電源）作為光源,如使用氨筑激光管或其他激光源時，需另配置其它配套電源。二、電路系統(tǒng)0除光電轉換接收部件外，

2、其余電路單元全部組裝在同一主控單元之中。此SANLING SGT-1型 聲光調制實驗儀屆里*,由由H 遁及率Mi流一 0oO外側I入O華東M范大學科教依器廠圖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:電源開關解調輸出插座解調幅度旋鈕載波幅度旋鈕載波選擇開關載波頻率旋鈕調制監(jiān)視插座外調輸入插座調制幅度旋鈕接收光強指示載波電壓指示載波頻率指示控制主電源，按通時開關指示燈亮，同時對半導體激光器供電。解調信號的輸出插座，可送示波器顯示。用于調節(jié)解調監(jiān)聽與信號輸出的幅度。用于調節(jié)聲光調制的超聲信號功率。用于對聲光調制超聲源的選擇：關一一無聲光調制80MHz使用80MHz

3、晶振的聲光調制I6080MHz聲光調制II80100MHz聲光調制用以調節(jié)聲光調制的超聲信號頻率。將調制信號輸出到示波器顯示的插座。（輸出波形既可與解調信號進行比較，也可呈現(xiàn)出射光的能量分布狀態(tài)）用于對聲光調制的載波信號進行音頻調制的插座。（插入外來信號時1kHz內置的音頻信號自動斷開）用以調節(jié)音頻調制信號的幅度。數(shù)字顯示經(jīng)光電轉換后光信號大小。數(shù)字顯示聲光調制的超聲信號幅度。數(shù)字顯示聲光調制的超聲信號頻率。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:交流電源右側下部為標準三芯電源插座，用以連接220V交流市電，插座上方系保護電源用的熔絲。至接收器與光電接收器

4、連接的接口插座。載波輸出輸出超聲功率至聲光調制器的插座。激光器電源供半導體激光器用的電源輸出插座。解調監(jiān)聽直接送有源揚聲器發(fā)聲的輸出插座。三、系統(tǒng)連接1、光源將半導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必按正負極性正確連接）2、聲光調制由聲光調制器的 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送到主控單元。4、解調輸出光電接收信號由“解調輸出”插座輸出，主控單元中的內置信號（或外調

5、輸入信號）由“調制監(jiān)視”插座輸出。以上兩信號可同時送入雙蹤示波器顯示或進行比較。5、揚聲器將有源揚聲器插入后面板的“解調監(jiān)聽”插座即可發(fā)聲，音量由有源（音量大小也與“載波幅度”與揚聲器中的音量控制旋鈕控制。“解調幅度”旋鈕有關）【實驗原理】當聲波在某些介質中傳播時，會隨時間與空間的周期性的彈性應變，造成介質密度（或光折射率）的周期變化。介質隨超聲應變與折射率變化的這一特性，可使光在介質中傳播時發(fā)生衍射，從而產(chǎn)生聲光效應：存在于超聲波中的此類介質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。當一束平行光束通過聲光介質時，光波就會被該聲光柵所衍射而改變光的傳播

6、方向，并使光強在空間作重新分布。聲光器件由聲光介質和換能器兩部分組成。前者常用的有鋁酸鉛（PM）、氧化硅等，后者為由射頻壓電換能器組成的超聲波發(fā)生器。如圖5.4所示為聲光調制原理圖。聲波吸收器射頻信號伍滿足以下條件時，衍射光最圖1圖聲5.4光調聲光制調原制的理原理理論分析指出，當入射角（入射光與超聲波面間的夾角）（5.1）九s與K分別為超強。式中N為衍射光的級數(shù)，九、k分別為入射光的波長和波數(shù)k=2n聲波的波長和波數(shù)K二廠。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

7、件主要工作在僅出現(xiàn)一級光（N=l）的布拉格區(qū)。滿足布拉格衍射的條件是：SinB一丁（5,2）（式中F與Us分別為超聲波的頻率與速度，A為光波的波長）5.1 ）式可知,此時當滿足入射角斗較小，且SjB帶奧拉格衍射條件下，由（K鳳陽，并有最強的正一級（或負一級）的衍射光呈現(xiàn)。2k入射（掠射）角力與衍射角6b之和稱為偏轉角0d（參見圖5.4），由（5.2）式：2;加0diB=0+B=0g=1-=p（53）k九Vss由此可見，當聲波頻率F改變時，衍射光的方向亦將隨之線性地改變。同時由此也可求得超聲波在介質中的傳播速度為：_頊Vs=鏟（5.4）【實驗內容及步驟】一、實驗準備1、按圖5.1的系統(tǒng)組成圖先在

8、光具座的滑座上放置好激光器和光電接收器。2、所有滑動座中心全部調至零位，并用固定螺絲鎖緊，使光器件初步共軸。光電接收器的軸心要與光具座中心線平行，并安置好聲光調制器的載物臺。注意使各滑座的。刻度處在光具座的中心位置。測微螺旋初始值最好在1015mm之間。3、光路準直：（1）打開激光電源，調節(jié)激光電位器使激光束有足夠強度。調節(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。此時激光器頭部保持固定。（2）調節(jié)激光器尾部的夾持螺釘，使激光束的光點保持在接收器的塑蓋中心位置上（去除蓋子則光強指示最大），此后激光器與接收器的位置不宜再動。4、按

9、系統(tǒng)連接方法將激光器、聲光調制器、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“調制監(jiān)視”與“解調輸出”插座與雙蹤示波器的Yi、Yh輸入端相連，移去接收器塑蓋時，接收光強指示表應有讀數(shù)。6、將聲光調制器的透光孔置于載物平臺的中心位置，用壓桿將調制器初步固定，然后使該滑座在靠近激光管附近的導軌內就位。7、調節(jié)載物平臺的高度和轉向，使激光束恰在聲光調制器的透光孔中間穿過，再用壓桿將聲光調制器緊固定。載物平臺的轉向應在土10°以內。8、將光電接收器前端的彈簧鋼絲夾夾持住白色像屏。二、實驗現(xiàn)象觀察及數(shù)據(jù)測量1、觀察聲光調制的偏轉現(xiàn)象（1）調節(jié)激光束的亮度，使在像屏中心有明晰的光

10、點呈現(xiàn)，此即為聲光調制的。級光斑。（2）打開載波選擇開關，撥至“80MHz”的檔級，調節(jié)“載波幅度”旋鈕，此時80MHz的超聲波即對聲光介質進行調制。（3）微調載物平臺上聲光調制器的轉向，以改變聲光調制器的光點入射角，即可出現(xiàn)因聲光調制而偏轉的衍射光斑。當一級衍射光最強時，聲光調制器即運轉在布拉格條件下的偏轉狀態(tài)。注：仔細調節(jié)光束對聲光調制器的角度可使衍射光強達最大值。2、測試聲光調制的幅度特性（1）取去像屏，使激光束的0級光仍落在光敏接收孔的中心位置上。（2）微調接收器滑座的測微機構，使接收孔橫向移動到一級光的位置（監(jiān)視“接收光強指示”表使其達最大值）。注：為獲得較好的線性效果，應控制激光功

11、率，不使接收光強飽和，其接收光強指示的最大值應在5.8的讀數(shù)范圍內。（3）將載波選擇開關撥至“80MHz”的檔級，調節(jié)“載波幅度”旋鈕，分別讀出載波電壓與接收光強的大小，畫出光強調制電壓的關系曲線（Id-Um）o3、觀察聲光調制隨頻率偏轉現(xiàn)象（1）按測試“聲光調制幅度特性”的步序，先將“載波選擇”置于“關”的位置，記下接收器滑座橫向測微計在0級時的讀數(shù)doo（2）將“載波選擇”開關置于I和n的位置，可以觀察到1級光（或多級光）的平移變化現(xiàn)象。4、測試聲光調制頻率偏轉特性（1）將“載波選擇”開關置于I和n的位置，調節(jié)“載波頻率”旋鈕，微調接收器橫向測微計，使其始終跟蹤一級光的位置。分別記下載波頻

12、率指示f與測微計讀數(shù)5。待測得1級光和0級光點間的距離d與聲光調制器到接收孔之間的距離L（由導軌面上標尺讀出）后，由于L>>d,即可求出聲光調制的偏轉角：L畫出偏轉角一一調制頻率的關系曲線（0dF）。（2）測得各調制頻率F值所對應的衍射光強Id，畫出衍射光強調制頻率的關系曲線（IdF）,該曲線中的Id峰值Idmax應與中心頻率相對應，而其與下降3dB所對應的頻率差即為聲光調制器的帶寬。注：改變頻率時載波幅度會跟著改變，應隨時調節(jié)“載波幅度”旋鈕，以盡量保持調制幅度（載波電壓表指示讀數(shù)）一致。5、測量聲光調制器的衍射效率衍射效率n定義為："二廣%I與0即最大衍射光強dmax

13、級光強Io之比，分別測得最強衍射光與。級光的光強值，其比值即為衍射效率。6、測量超聲波的波速將超聲波頻率（80MHz）>偏轉角8AFd與激光波長（630680nm,可取650nm）各值代F九入公式Vs二3一，即可計算出超聲波在介質中的傳播速度VSo三、聲光調制與光通訊實驗演示（可選做）將音頻信號（來自廣播收音機、錄音機、CD機等音源）輸入到本機的“外調輸入”插座，將揚聲器插入主控單元后面板的“解調監(jiān)聽”插座，打開載波選擇開關至80MHz檔位，適當調節(jié)載波幅度與解調幅度即可使揚聲器播放出音響節(jié)目。0注：旌揚聲器播音的同時，亦可由示波器監(jiān)視調制波形和解調波形。如需觀察載波或調幅波信號需用頻響

14、100MHz以上的示波器。【實驗數(shù)據(jù)處理與分析】1、測試聲光調制的幅度特性表5.1聲光調制幅度特性實驗數(shù)據(jù)表載波幅度Um(V)00.511.522.5一級衍射光光強Id0.150.170.581.061.752.37載波幅度Um(V)33.544.555.5一級衍射光光強Id3.214.124.875.125.265.32作IdUm曲線。一級舒射光光強Id聲光調制幅度特性4 -載波幅度Um (V)2、測試聲光調制頻率偏轉特性零級光位置do=11.230mm；聲光調制器與接收孔間的距離L=46.0cm,表5.2聲光調制偏轉角與調制頻率實驗數(shù)據(jù)表載波頻率F(MHz)60708090100一級衍射光

15、位置di(mm)7.1136.5115.8095.0124.563距離d=ldi-do14.1174.7195.4216.2186.667偏轉角。d/L0.00890.01030.01180.01350.0145作6dF曲線。O1/P0.015-0.014-0.013-.0.012-.0.011-0.010-.0.009-聲光調制偏轉角與調制頻率IriI60708090100載波頻率F(MHz)載波頻率F(MHz)60708090100一級衍射光光強Id0.770.891.252.730.82表5.3聲光調制衍射光強與調制頻率實驗數(shù)據(jù)表聲光調制衍射光播與調制頻率二60703090100載波頻率

16、F(MHz)03、測量聲光調制器的衍射效率最大衍射光強Idmax=2.73A：0級光強Io=5.13V；衍射效率q=53.21%o4、測量超聲波的波速超聲波在介質中的傳播速度Vs=【實驗注意事項】1、為防止強激光束長時間照射而導致光敏管疲勞或損壞，調節(jié)或使用后請隨即用塑蓋將光電接收孔蓋好。2、調節(jié)過程中必須避免激光直射人眼，以免對眼睛造成危害。3、調節(jié)半導體激光器功率時，不要用力過大而損壞功率調節(jié)旋鈕。4、調節(jié)載物平臺的轉向應在土10°以內。5、實驗數(shù)據(jù)的單位和精度要求：角度單位為rad,螺旋測微器和標尺都需要估讀一位?！緦嶒炈伎碱}】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：當聲波在某介質中傳播時，會隨時間與空間的周期性發(fā)生彈性應變，造成介質密度的周期性變化