激光技術(shù)實(shí)驗(yàn)

激光技術(shù)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)報告學(xué)院：通信工程學(xué)院姓名：高書勤學(xué)號：實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師：劉巨林2023-12-13激光大氣通訊實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮蛢?nèi)容：了解電光調(diào)制器的基本結(jié)構(gòu)；熟悉激光大氣通訊的基本原理；掌握音頻信號的激光大氣通訊的調(diào)試技術(shù)；4.探討影響激光大氣通訊效果的重要因素；二實(shí)驗(yàn)儀器HE-NE激光器2.電光調(diào)制器及DGY-3型調(diào)制電源收音機(jī)或音頻信號發(fā)生器4.偏振片（2個）、1/4波片光電接受放大器及直流電壓源（9V）6.音箱或收錄機(jī)（代替音箱）7.示波器三．實(shí)驗(yàn)原理1.電光調(diào)制器的結(jié)構(gòu)本調(diào)制器是選用優(yōu)質(zhì)的DKDP晶體、運(yùn)用pockpl效應(yīng)對光進(jìn)行信號調(diào)制的器件。其重要特性為：材料：DKDP單晶結(jié)構(gòu)：四塊串聯(lián)、環(huán)形電極調(diào)制方式：縱調(diào)半波電壓：DC900-1000V（使用電壓不得超過1300V）工作頻率：0-100MHz等效電容：12pf圖1.為電光調(diào)制器的結(jié)構(gòu)示意圖電極引出線2.DKDP晶體3.環(huán)形電極4.偏振片2.電光調(diào)制器的調(diào)整為了保證信號傳輸?shù)馁|(zhì)量和較高的信噪比，進(jìn)行激光大氣通訊之前，一方面對光路和器件的狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整。電光調(diào)制器的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)安排大體如圖2.所示。調(diào)整環(huán)節(jié)大體如下：①He-Ne激光器②起偏器③1/4波片④電光調(diào)制器⑤檢偏器⑥光電接受放大器⑦示波器⑧DGY-Ⅲ型調(diào)制電源⑨直流電壓源（1）仔細(xì)調(diào)整電光調(diào)制器，使激光光束與其晶體的光軸平行并通過晶體中心；然后放入檢偏器并旋轉(zhuǎn)可使透過光的強(qiáng)度發(fā)生明顯的變化。（2）將電光調(diào)制器的電極引出線與調(diào)整電源的電光輸出端口連接起來，在示波器上便可觀測到調(diào)制光的波形。旋轉(zhuǎn)調(diào)制器（小心觸電！）可使波形變?yōu)楸额l信號，則晶體晶軸方位調(diào)整完畢。①He-Ne激光器所發(fā)出的激光通過②起偏器之后，所得到的激光為偏振光，再通過③1/4波片之后，會變成圓偏振光。激光大氣通訊實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的組成如圖所描述的系統(tǒng)，傳輸音頻（300-3400Hz）信號或收錄機(jī)播放的節(jié)目。實(shí)驗(yàn)時，將收錄機(jī)的節(jié)目信號或音頻信號接至調(diào)制電源的電光輸入端口，這樣，若將本系統(tǒng)配套的光電接受放大器上接受到的光信號接入音箱或收錄機(jī)（收錄機(jī)代替音箱，信號接入到Lineout端口，按下play鍵），適當(dāng)旋轉(zhuǎn)或調(diào)制各元器件，便可聽到清楚的廣播聲音。①He-Ne激光器②起偏器③1/4波片④電光調(diào)制器⑤檢偏器⑥光電接受放大器⑦音箱或收錄機(jī)（代替音箱）⑧DGY-Ⅲ型調(diào)制電源⑨收音機(jī)或音頻信號發(fā)生器⑩直流電壓源四．實(shí)驗(yàn)注意事項1.實(shí)驗(yàn)中，使用的調(diào)制器為“電光調(diào)制器”，注意不要將它連接到調(diào)制電源的聲光、磁光端口。2.光電接受放大器要正常工作，必須配備9V的直流電壓源。若給光電接受放大器提供了9V的直流電壓源，它還不能正常工作，應(yīng)檢查它后面的開關(guān)是否處在“開”的位置。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析1.實(shí)驗(yàn)結(jié)果（1）調(diào)制電光調(diào)制器時，旋轉(zhuǎn)調(diào)制器，示波器顯示調(diào)制信號波形發(fā)生變化，振幅也隨之改變，只在某一個特定位置上調(diào)制信號振幅達(dá)成最大，產(chǎn)生倍頻信號。調(diào)節(jié)檢偏器，信號有強(qiáng)弱變化，振幅、頻率也發(fā)生變化，當(dāng)?shù)竭_(dá)某一個合適的位置時，信號振幅最大，強(qiáng)度最大，聽起來最清楚（2）在進(jìn)行傳輸音頻（300-3400Hz）信號或收錄機(jī)播放的節(jié)目的實(shí)驗(yàn)時，通過將收錄機(jī)的節(jié)目信號或音頻信號接至調(diào)制電源的電光輸入端口，之后將光電接受放大器上接受到的光信號接入音箱或收錄機(jī)，就可以聽到廣播的聲音，但是并不算清楚，會有雜音，通過適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)動起偏器或者檢偏器，就可以聽到清楚的廣播聲音。轉(zhuǎn)動起偏器或者檢偏器，均會對接受信號產(chǎn)生影響，喇叭聲音大小隨之改變；增長或減小檢測器供電電壓，喇叭聲音隨之增大或減小；當(dāng)在光電接受放大器前任意位置隔斷激光鏈路時，均無法接到信號，喇叭聲音消失。實(shí)驗(yàn)分析根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，經(jīng)分析得出影響激光大氣通訊的因素有：1.光噪聲因素：該因素重要影響激光大氣通信系統(tǒng)的接受靈敏度。背景光自身的隨機(jī)。背景光自身由于光源的不穩(wěn)定性、反射散射過程的不穩(wěn)定性及傳播過程中的不穩(wěn)定性，將存在寬譜的隨機(jī)起伏，相稱于光噪聲，這種噪聲被接受機(jī)檢測后將產(chǎn)生相應(yīng)的噪聲電流，使系統(tǒng)信噪比惡化。因此，激光系統(tǒng)必須有很強(qiáng)的排除雜光的能力，否則陽光或其他照射光源就會淹沒激光束。2.光端機(jī)因素：重要受發(fā)射機(jī)的發(fā)射光強(qiáng)和接受機(jī)的靈敏度影響，此外，在實(shí)際的大氣激光通訊中，由于發(fā)射機(jī)與接受機(jī)之間局里較遠(yuǎn)，因此，發(fā)射機(jī)的光出射角（影響光束的匯聚性）與接受機(jī)的接受孔徑也是影響通信效果的重要因素。3.障礙物因素：當(dāng)激光束的傳播途徑上存在障礙物時，激光大氣通訊就會受到干擾。實(shí)驗(yàn)體會：通過本實(shí)驗(yàn)，基本了解了激光大氣通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、實(shí)驗(yàn)原理，通過通過自己的動手和觀測，并且在老師的指導(dǎo)講解下，，完畢了激光大氣通信的實(shí)驗(yàn)，認(rèn)知了影響激光大氣通信質(zhì)量的各種因素，并且對于如何排除這些干擾因素有了一定結(jié)識，同時，在實(shí)驗(yàn)中碰到的問題也通過查閱相關(guān)資料得到了解答，為以后進(jìn)一步的了解激光大氣通訊實(shí)驗(yàn)奠定了基礎(chǔ)，通過本次的激光大氣通訊實(shí)驗(yàn)，我收獲頗豐。光纖傳輸實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵?guī)定1.了解光纖傳輸?shù)幕驹砗凸饫w傳輸系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)；2.熟悉半導(dǎo)電光器件的基本性能及重要特性的測試方法；3.練習(xí)音頻信號光纖傳輸系統(tǒng)的調(diào)試技術(shù)。實(shí)驗(yàn)儀器YOF-A型音頻信號光纖傳輸實(shí)驗(yàn)儀（發(fā)送器、接受器和光纖盤)音頻信號發(fā)生器或收音機(jī)光功率計示波器實(shí)驗(yàn)原理系統(tǒng)的組成塑料光纖很柔軟并且可以彎曲，加工也很方便，所以在光信息解決、光學(xué)計量、短距離傳輸?shù)确矫嬉勋@得較好的應(yīng)用。在本實(shí)驗(yàn)中，采用的傳輸光纖是進(jìn)口低損耗塑料光纖，它的纖維直徑是1mm，芯徑為990μm，薄層厚度為5μm。圖1示出了一音頻信號光纖傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖，其中電光轉(zhuǎn)換和模擬通道之間為傳輸光纖；電光轉(zhuǎn)換之前的部分為光信號發(fā)送部分，重要由調(diào)制電路、驅(qū)動電路和發(fā)光二極管LED組成；模擬通道之后的部分為光信號接受部分，重要由硅光電池、前置電路和功放電路組成。該傳輸系統(tǒng)的頻帶寬度能覆蓋被傳輸信號的頻譜范圍，對于語言信號，其頻譜范圍在300-3400Hz的范圍內(nèi)。由于光導(dǎo)纖維對光信號具有很寬的頻帶，故在音頻范圍內(nèi)，整個系統(tǒng)的頻帶寬度重要取決于發(fā)送端調(diào)制放大電路和接受端功放電路的幅頻特性。圖1.光纖傳輸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖LED的驅(qū)動和調(diào)制電路音頻信號光纖傳輸系統(tǒng)發(fā)送端LED的驅(qū)動和調(diào)制電路如圖所示。以BG1為主組成電路是LED的驅(qū)動電路。調(diào)節(jié)可變電阻W2可使LED的偏置電流在0-60mA的范圍內(nèi)變化。被傳輸?shù)囊纛l信號經(jīng)IC1運(yùn)放由電容C4耦合到BG1的基極，對LED的工作電流進(jìn)行調(diào)制，從而使LED發(fā)送出隨音頻信號變化的光強(qiáng)信號，并把這一信號經(jīng)光纖傳送至接受端。根據(jù)運(yùn)放電路理論，圖中音頻放大電路的閉環(huán)增益為：G（jω）=1+Z2/Z1（1）其中分別是放大器的反饋?zhàn)杩购头聪噍斎攵说慕拥刈杩?，只要選的足夠小，選的足夠大，則在規(guī)定的帶寬中，的阻抗很大，它所在的支路可視為開路，而的阻抗很小，可以視為短路，在此情況下，放大器的閉環(huán)增益,的阻抗很小，其大小決定著高頻端的截止頻率，而的數(shù)值決定著低頻端的截止頻率，故該電路中的是決定音頻放大電路增益和帶寬的幾個重要參數(shù)。光信號接受器如圖所示為光信號接受器的電路原理圖，其中SPD是硅光電二極管，它的峰值響應(yīng)波長與發(fā)送端LED光源的中心波長很接近，其峰值波長響應(yīng)度為0.25-0.5μA/μW。SPD的任務(wù)是把經(jīng)光纖傳輸過來的光信號的光功率轉(zhuǎn)變?yōu)榕c之成正比的光電流I0，然后通過IC2構(gòu)成I-V轉(zhuǎn)換電路，再把光電流轉(zhuǎn)換成電壓V0輸出，V0與I0之間的關(guān)系為（2）以IC3（LA4112）為主構(gòu)成一個音頻功放電路。該電路的電阻元件（涉及反饋電阻）均集成在芯片內(nèi)部，只要調(diào)節(jié)外接的電位器W3，可改變功放電路的電壓增益，電路中電容CNf的大小決定著功放電路的下限截止頻率。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容LED-傳輸光纖組件電光特性的測定本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中LED輸出的光功率與傳輸光纖是直接耦合的，LED的正負(fù)極通過光纖繞線盤上的電流插口與發(fā)送器的調(diào)制驅(qū)動電路連接。實(shí)驗(yàn)時，用兩端均為兩芯插頭的導(dǎo)線將光線繞線盤上的電流插口與發(fā)送部分的“LED”插孔連接起來；把光電探測器的窗口插入傳輸光纖的遠(yuǎn)端，其輸出與光功率計的輸入端連接（光功率計應(yīng)在無光是調(diào)零）；啟動發(fā)送器后面板上的電源開關(guān)，便可對LED-傳輸光纖組件的電光特性進(jìn)行測試，測試電路如圖4所示。測試時，調(diào)節(jié)發(fā)送器前面板上的“偏流調(diào)節(jié)”旋鈕，使LED的驅(qū)動電流，<35mA的任一適當(dāng)值，并觀測光功率計的示值；使發(fā)送器前面板上的毫安表的示值（即LED的驅(qū)動電流）在0-35mA范圍內(nèi)變化，從零開始每隔2.5mA記錄一組（,）；列表并最終可在（,）坐標(biāo)系中繪出涉及傳輸光纖與LED的連接損耗及傳輸光纖的傳輸損耗在內(nèi)的LED-傳輸光纖組件的電光特性曲線。(2)音頻信號的光纖傳輸實(shí)驗(yàn)（1）調(diào)整系統(tǒng)各部件至正常工作光電探測器的輸出接到硅光電二極管SPD的輸入插孔內(nèi)，設(shè)立LED的偏置電流為=30mA左右，使用正弦波（由音頻信號發(fā)生器提供）對光信號進(jìn)行調(diào)制，并用示波器觀測發(fā)送端LED驅(qū)動電路中Re上的電壓波形，適當(dāng)調(diào)節(jié)調(diào)制信號的幅度，使Re上的電壓波形無消波失真；啟動接受器后面板上的電源開關(guān)，用示波器觀測接受端功放電路上的輸出波形，若所觀測到的波形與發(fā)送的調(diào)制信號波形一致，則表白整個傳輸系統(tǒng)工作正常；改變調(diào)制信號的幅度和頻率，通過示波器觀測各監(jiān)測點(diǎn)波形（是否失真）及總體傳輸效果。（2）語音信號的光纖傳輸用收音機(jī)代替音頻信號發(fā)生器，將“喇叭接通開關(guān)”打開，即可進(jìn)行語音信號的光纖傳輸實(shí)驗(yàn)，聆聽整個音頻信號光纖傳輸系統(tǒng)的音響效果。同時，根據(jù)實(shí)際情況可適當(dāng)調(diào)節(jié)發(fā)送部分的LED偏置電流ID、調(diào)節(jié)放大器電路反饋電阻W1及接受功放電路的電阻W3等系統(tǒng)參數(shù)，考察光纖傳輸?shù)穆犛X效果，并用示波器監(jiān)測系統(tǒng)的輸入信號和各級輸出信號的波形變化。實(shí)驗(yàn)注意事項：1.連接好線路后，接通電源開關(guān)，假如發(fā)送器數(shù)字電流表有顯示、發(fā)光二極管LED亮、光纖盤尾纖有紅光輸出，則說明系統(tǒng)的電源部分工作正常。2.實(shí)驗(yàn)過程中，應(yīng)避免LED的引腳與實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和測量儀器的地線相碰，否則也許會導(dǎo)致LED的永久性損壞。3.實(shí)驗(yàn)過程中，進(jìn)行光纖與硅光電池的耦合連接時，應(yīng)注意光纖端面的保護(hù)，并按光纖的自然彎曲狀態(tài)進(jìn)行操作，不得加力彎折。六.實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析1.LED-傳輸光纖組件電光特性的測定LED的驅(qū)動電流（mA）光功率計的指示值（uW）02.557.51012.51517.520012.925.337.849.060.173.686.499.722.52527.53032.535111.1125.5137.2149.7161.6175.0LED-傳輸光纖組件電光特性曲線由圖可知，基本與成線性關(guān)系，隨驅(qū)動電流增大，光強(qiáng)度增大，光功率也就增大，可以用電信號來反映光信號，顯示LED-傳輸光纖的電光特性。2.音頻信號的光纖傳輸實(shí)驗(yàn)電路連接好后，設(shè)立LED的偏置電流為=30mA左右，使用正弦波（由音頻信號發(fā)生器提供）對光信號進(jìn)行調(diào)制，并用示波器觀測發(fā)送端LED驅(qū)動電路中Re上的電壓波形，有也許會發(fā)現(xiàn)有消波失真，該失真隨輸入電壓幅度的增大而增大；因此適當(dāng)調(diào)節(jié)“調(diào)制幅度”消去消波失真；發(fā)現(xiàn)，當(dāng)設(shè)立為1.1V時，則可以正?？吹絉e的電壓波形是無消波失真，所以可以設(shè)立為1.1V，用示波器觀測接受端功放電路上的輸出波形，此時所觀測到的波形與發(fā)送的信號的波形一致，即此時整個傳輸系統(tǒng)正常工作。Re上的無消波失真波形Re上失真波形改變調(diào)制信號的幅度和頻率，此時仍然用示波器觀測接受端功放電路上的輸出波形，判斷其在何種情況下會有失真。RL上的無失真波形在調(diào)制信號的頻率=443.58HZ，此時=1.1V，無失真，波形2=2.0V，無失真，波形3=2.1V，失真，波形4=2.2V，失真，波形在調(diào)制信號的頻率=496.26HZ，此時1=1.1V，無失真，波形2=2.0V，無失真，波形3=2.1V，有失真，波形4=2.2V，明顯失真，波形在調(diào)制信號的頻率=496.26HZ，此時1=1.8V，無失真，波形2=1.9V，無失真，波形3=2.0V，無失真，波形4=2.1V，有失真，波形5=2.2，有明顯失真，波形語音信號的光纖傳輸調(diào)節(jié)LED偏置電流，電流變小，小至某一值時會產(chǎn)生截止失真，同時，喇叭聲音隨偏置電流的減小而減弱。實(shí)驗(yàn)過程中假如出現(xiàn)截止或飽和削波失真，說明調(diào)制信號幅度過大，要適當(dāng)減小調(diào)制信號幅度，保證不失真?？紤]到放大器的非線性效應(yīng)，需對調(diào)制幅度及偏置電流進(jìn)行嚴(yán)格控制，否則會影響光傳輸系統(tǒng)的有效性及可靠性；實(shí)驗(yàn)心得通過老師的認(rèn)真講解和自己的提前預(yù)習(xí)，動手實(shí)踐，在實(shí)驗(yàn)平臺上成功實(shí)現(xiàn)了音頻信號的光纖傳輸，同時也了解到了光電轉(zhuǎn)換過程，以及光纖傳輸?shù)幕驹怼Ｍㄟ^對實(shí)驗(yàn)分析，了解到了影響光纖傳輸?shù)母鞣N因素，對光纖傳輸?shù)奶匦约皞鬏斝Ч辛艘欢私?，對光纖傳輸系統(tǒng)中LED驅(qū)動調(diào)制電路和接受電路的工作點(diǎn)選取有了深刻的結(jié)識。聲光衍射實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私饬私饴暪庾饔玫幕纠碚?；觀測喇曼——奈斯衍射和布喇格衍射現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)裝置及儀器聲光器件是TSGMN-1B型調(diào)制器，適應(yīng)波長為0.6328紅光，衍射效率>85%,驅(qū)動電功率為1.5瓦。驅(qū)動電源是XG—22A型超高頻功率信號發(fā)生器,頻率可調(diào)范圍為10MHz——150MHZ，輸出功率為2瓦；使用時應(yīng)注意：A．不能空載B.換檔時將輸出調(diào)到零C.注意儀器散熱3.He-Ne激光器4.長焦距透鏡5.測長儀機(jī)架6.激光功率計實(shí)驗(yàn)原理超聲波是一種縱向的機(jī)械應(yīng)力波，它在聲光介質(zhì)中傳播時會引起介質(zhì)密度的疏密變化，由于彈光效應(yīng)，將引起介質(zhì)折射率的變化，密的部分折射率大，疏的部分折射率小。因此可以把超聲波作用下的介質(zhì)視為等效的相位光柵，光柵的條紋間隔等于聲波波長，當(dāng)光波通過該介質(zhì)時，就被衍射。假設(shè)聲波在介質(zhì)中以行波形式傳播，則介質(zhì)中形成的聲光柵也將以聲速向前推動，其折射率的瞬時空間變化可用下式表達(dá)：式中為聲波角頻率，為聲波波數(shù)。按照超聲波頻率的高低和聲光互相作用長度的不同，有兩種形式的衍射：喇曼——奈斯衍射和布喇格衍射。為了區(qū)分這兩種衍射，引入一個參量：其中L為聲光作用長度，為光波波長。當(dāng)1時，相應(yīng)喇曼——奈斯衍射，1時，相應(yīng)布喇格。實(shí)踐證明，0.3時就可以觀測到喇曼——奈斯衍射，時就能觀測到布喇格衍射，在區(qū)間，情況比較復(fù)雜，通常的聲光器件不工作在此區(qū)間。喇曼——奈斯衍射當(dāng)超聲頻率較低，聲光作用長度較短，光線平行于聲波波面入射（即垂直于聲場傳播方向入射）時，產(chǎn)生喇曼——奈斯衍射。如圖1所示，由于在這種情況中，超聲光柵與普通的光學(xué)條紋光柵（平面光柵）類似，因此，頻率為的平行光通過超聲光柵時，將產(chǎn)生多級衍射光，并且各級衍射光極值對稱分布在零極值的兩側(cè)，其強(qiáng)度依次遞減。運(yùn)用衍射積分法對喇曼——奈斯衍射進(jìn)行理論分析可得，在寬度為L的聲光介質(zhì)中，產(chǎn)生喇曼——奈斯衍射的條件為各級衍射光的衍射角滿足相應(yīng)于第m級衍射的極值光強(qiáng)為,式中為入射光強(qiáng)，表達(dá)光波通過聲光介質(zhì)時，由于折射率變化引起的附加相移。整數(shù)m可正可負(fù)，由于,所以零級極值兩側(cè)的同級衍射極值光強(qiáng)相等，這種衍射光強(qiáng)的對稱分布是喇曼——奈斯衍射的主要特性之一。由于，所以在各種情況下，衍射極值光強(qiáng)之和等于。理論分析還指出，各級衍射光的頻率分別為。因此，通過調(diào)制信號改變超聲波場，就可調(diào)制衍射光的光強(qiáng)和頻率.2.布喇格衍射當(dāng)聲波頻率較高，聲光作用長度L較長，滿足，并且光線與聲波波面有一定角度斜入射時，會產(chǎn)生布喇格衍射，如圖2所示。在這種情況下，必須要考慮介質(zhì)厚度的影響，其超聲光柵應(yīng)視為體光柵。這時的衍射光是不對稱的，只有零級和+1級（或-1級）衍射光（視入射光方向而定）。假如合適地選擇參數(shù)，并且超聲波足夠強(qiáng)，可以使入射光能量幾乎所有轉(zhuǎn)移到零級或+1級（或-1級）的衍射極值方向上，因此，激光能量可以獲得充足運(yùn)用。所以運(yùn)用布喇格衍射制造的聲光器件效率較高。在理論上可以運(yùn)用麥克斯韋方程分析衍射光分布情況。分析表白，產(chǎn)生布喇格衍射的條件：式中的是布喇格入射角。布喇格衍射的零級和1級衍射光間的夾角，其衍射光強(qiáng)的表達(dá)式為控制超聲功率以控制折射率變化量，使得時，有，即入射光的所有能量都轉(zhuǎn)變?yōu)?級衍射光能.3.聲光器件結(jié)構(gòu)通常的聲光器件都涉及有四部分：驅(qū)動電源、換能器、聲光介質(zhì)和吸聲介質(zhì)。驅(qū)動電源是超高頻率功率信號產(chǎn)生器，輸出頻率、功率皆可調(diào)。當(dāng)將其輸出電信號加到換能器上，便因壓電晶體（如石英、LiNb等）或壓電半導(dǎo)體（CdS,ZnO等）的反壓電效應(yīng)產(chǎn)生機(jī)械振動，該振動將在聲光介質(zhì)中產(chǎn)生超聲波場。聲光介質(zhì)是聲光作用的場合，通常為玻璃、熔石英、鉬酸鋁、氧化銻等材料。在聲光介質(zhì)的另一側(cè)為吸聲材料，一般選用鉛橡膠或玻璃棉等，以吸取穿過介質(zhì)的超聲波，避免產(chǎn)生反射。實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)1．點(diǎn)燃He-Ne激光器，預(yù)燃20分鐘，使其工作基本穩(wěn)定。2．調(diào)整系統(tǒng)各元件，使其共軸。3．將信號源加到聲光器件上，改變頻率并微調(diào)系統(tǒng)各元件，直至出現(xiàn)喇曼——奈斯衍射進(jìn)行觀測。4．改變聲光器件的角度，進(jìn)行布喇格衍射現(xiàn)象的觀測。五．實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1.根據(jù)實(shí)驗(yàn)儀器，擬定測量衍射角的方法2.觀測喇曼——奈斯衍射現(xiàn)象（調(diào)諧范圍為30~60MHz）A．固定入射光強(qiáng)，測量衍射光極值偏轉(zhuǎn)角與信號頻率的關(guān)系曲線。B．固定入射光強(qiáng)，測量衍射光強(qiáng)與信號頻率的關(guān)系曲線。C．將觀測數(shù)據(jù)及的理論計算結(jié)果列成簡明表格。3.觀測布喇格衍射現(xiàn)象（調(diào)諧范圍為100~150MHz）A．固定入射光強(qiáng)，測量零級與1級衍射光夾角與信號頻率的關(guān)系曲線。B．保持信號頻率不變，測量零級、1級衍射光光強(qiáng)、與超聲功率的關(guān)系曲線。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析測量衍射角的方法各級衍射條紋位置L=103.5cm各級衍射條紋位置L=103.5cm觀測喇曼——奈斯衍射現(xiàn)象（調(diào)諧范圍為30~60MHz）He-Ne激光器所發(fā)出的激光通過二次反射之后，進(jìn)入聲光器件（TSGMN-1B）調(diào)制器，聲光介質(zhì)同樣也相稱于一般鏡面，此時會發(fā)生反射現(xiàn)象。只有當(dāng)超聲頻率較低，聲光作用長度較短，光線平行于聲波波面入射（即垂直于聲場傳播方向入射）時，產(chǎn)生喇曼——奈斯衍射現(xiàn)象，所以使光線可以一方面進(jìn)行調(diào)節(jié)調(diào)制器的位置，目的是使光線可以平行于聲波波面入射（即垂直于聲場傳播方向入射），此時只規(guī)定光線的左右面重合在一起，但是光線的上下位置為共面即可，并不規(guī)定上下也重合?？梢酝ㄟ^在調(diào)節(jié)器的前面，放置一個帶有小孔的紙張，移動紙張，使光線可以通過小孔入射到聲光介質(zhì)，此時，可以在紙張上看到反射光線，通過調(diào)節(jié)調(diào)制器的位置，使反射光線同樣也通過小孔，即可以實(shí)現(xiàn)使光線可以平行于聲波波面入射（即垂直于聲場傳播方向入射）的目的。在完畢準(zhǔn)備工作以后，調(diào)節(jié)驅(qū)動電源（高頻功率信號發(fā)生器），加上輸出信號，調(diào)節(jié)其輸出調(diào)節(jié)按鈕，在固定頻率為30MHZ的情況下，改變其輸出信號的大小，通過逐步增長輸出電流，發(fā)現(xiàn)大約加至為80，開始出現(xiàn)喇曼——奈斯衍射現(xiàn)象。喇曼——奈斯衍射現(xiàn)象3.觀測布喇格衍射當(dāng)聲波頻率較高，聲光作用長度L較長，滿足，并且光線與聲波波面有一定角度斜入射時，會產(chǎn)生布喇格衍射。在實(shí)驗(yàn)中，通過選擇6頻段，再通過頻率調(diào)節(jié)進(jìn)行頻率微調(diào)，使其頻率為f=180MHZ,通過調(diào)節(jié)調(diào)制器的位置，使光線和聲波平面有一定的夾角進(jìn)行入射，一方面會出現(xiàn)三條衍射光斑，即零級衍射，負(fù)一級衍射和正一級衍射，通過反復(fù)調(diào)節(jié)調(diào)制器的位置，使其一級衍射為出現(xiàn)在零級衍射的同一邊。。布喇格衍射現(xiàn)象在固定入射光強(qiáng)，觀測喇曼——奈斯衍射現(xiàn)象（調(diào)諧范圍為30~60MHz），測量衍射光極值偏轉(zhuǎn)角與信號頻率的關(guān)系曲線：固定入射光強(qiáng)，聲光器件與測長儀之間的距離為L=103.5cm。固定入射光強(qiáng)，測量衍射光第一級衍射光點(diǎn)偏移d，從而計算極值偏轉(zhuǎn)角，做出極值偏轉(zhuǎn)角與衍射光頻率的關(guān)系曲線；衍射光頻率（MHZ），零級衍射所在位置（cm），左右一級衍射所在位置30.4335.5040.4545.5350.4455.4360.4412.8012.8012.8012.7812.7212.8112.7412.2012.1012.0311.9011.7811.7311.6013.3513.4413.5413.6613.7013.8513.93偏移(cm)0.570.670.750.870.961.061.16從關(guān)系曲線可以看出，當(dāng)入射光強(qiáng)固定期，隨著信號頻率QUOTE的增大，衍射光極值偏轉(zhuǎn)角QUOTE也增大，兩者基本成線性的正比關(guān)系。5.固定入射光強(qiáng)，測量衍射光強(qiáng)與信號頻率的關(guān)系曲線0級光強(qiáng)Im和信號頻率f數(shù)據(jù)1級光強(qiáng)Im和信號頻率f數(shù)據(jù)2級光強(qiáng)Im和信號頻率f數(shù)據(jù)衍射光強(qiáng)Im和信號頻率fs數(shù)據(jù)如表格。頻率（MHz）30.4335.5040.4545.4350.4455.4360.440級光強(qiáng)（mw）1.251.10.70.70.940.781.251級光強(qiáng)（mw）0.180.10.30.220.200.260.0142級光強(qiáng)（mw）0.0020.0010.0280.0380.0060.006七．實(shí)驗(yàn)體會通過本次實(shí)驗(yàn)，我基本上了解聲光作用的基本理論；觀測了喇曼——奈斯衍射和布喇格衍射現(xiàn)象。對具體的定量數(shù)據(jù)做了分析，驗(yàn)證了該理論的對的性，并且通過度析得到光強(qiáng)、頻率、偏轉(zhuǎn)角之間的曲線關(guān)系，了解了超聲波傳播方向及超聲波頻率對衍射光強(qiáng)及角度的影響，掌握了其原理及實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。光抽運(yùn)的觀測、光磁共振實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私夤獬檫\(yùn)的機(jī)理，用示波器觀測光抽運(yùn)信號。測出地磁場的大小方向（水平分量和垂直分量）了解光磁共振的機(jī)理，用示波器觀測光磁共振現(xiàn)象，測量銣原子（87,85）的原子參數(shù)g.二、實(shí)驗(yàn)原理1.銣原子基態(tài)及最低激發(fā)態(tài)的能級本實(shí)驗(yàn)所研究的對象是堿金屬原子銣(Rb)天然銣中含量大的同位素有兩種：占72.15%，占27.85%。銣和其他堿金屬原子同樣，在緊緊束縛的滿殼層中有一個電子，其能級圖和氫的能級圖很相似。銣原子基態(tài)是，即軌道角動量數(shù)L=0，電子自旋量子數(shù)S=1/2。軌道角動量與自旋角動量耦合成總的自動量，其角動量為J。由于是LS耦合，。銣的基態(tài)只有J=1/2。銣原子的最低光激發(fā)態(tài)是及雙重態(tài)。它們是由LS耦合產(chǎn)生的精細(xì)結(jié)構(gòu)，軌道量子數(shù)L=1，自旋量子數(shù)S=1/2。態(tài)，J=1/2。態(tài)，J=3/2。在5P與5S能級之間產(chǎn)生的躍遷是銣原子主線系的第一條線，為雙線。在銣燈的光譜中強(qiáng)度特別大。到的躍遷產(chǎn)生的譜線為線，波長是7948，到的躍遷產(chǎn)生的譜線為線，波長是7800。原子物理中已給出核自旋I=0的原子的價電子LS耦合后角動量與原子總磁距的關(guān)系：現(xiàn)在討論的情況，的I=3/2，的I=5/2。設(shè)自旋角動量為，核磁距為。與耦合成，。耦合后的總量子數(shù)。當(dāng)時，F(xiàn)有（）個也許值。當(dāng)時，F(xiàn)有個也許值。的基態(tài)F有兩個值F=2及F=1，的基態(tài)有F=3及F=2。由F量子數(shù)標(biāo)定的能級稱為超精細(xì)結(jié)構(gòu)能級。原子總角動量與總磁距之間的關(guān)系為：在磁場中原子的超精細(xì)能級產(chǎn)生塞曼分裂。磁量子數(shù)。即分裂成個能量間距基本相等的塞曼子能級。（2）圓偏振光對銣原子的光抽運(yùn)過程現(xiàn)考慮在磁場中原子吸取偏振光后的共振躍遷。它不僅涉及能量問題，并且涉及角動量問題，光子所帶的角動量，因光的偏振而異。右圓偏振光（光）其角動量為;左圓偏振光(光)，其角動量為；線偏振光可視為兩旋轉(zhuǎn)方向相反的圓偏振光的迭加，其總角動量為零。在磁場中的原子，當(dāng)它吸取了一個沿Z軸方向傳播的光后，原子角動量的Z分量量子數(shù)增長1，反之吸取一個光子，則減少1；吸取光子，原子角動量不變。在熱平衡（無光照射）時，原子在任意兩個能級，之間的分布，服從玻爾茲曼分布：（5）式中，為兩能級差，，是兩能級上原子的數(shù)目，為玻爾茲曼常數(shù)。在本實(shí)驗(yàn)中，吸取池的溫度約C。在此溫度下，銣原子的和態(tài)相比較，因，所以，。即原子重要分布在基態(tài)上，分布在上的原子數(shù)是很少的。但對超精細(xì)能級和及塞曼子能級，因，。所以原子在超精細(xì)能級或超精細(xì)塞曼子能級間的分布幾乎是等幾率的。實(shí)驗(yàn)時，我們以波長7948的光照射銣原子（裝在充有緩沖氣體的玻璃泡里，呈蒸氣態(tài)，稱之為吸取池或樣品）。這時，的原子吸取7948的光，便產(chǎn)生從態(tài)中各塞曼子能級到各塞曼子能級的受激躍遷。躍遷遵循選擇定則，。原子在激發(fā)態(tài)只能停留很短的時間（壽命約為秒）。隨后便自發(fā)躍遷到基態(tài)，其選擇定則為，，原子以幾乎相等的幾率分布于基態(tài)各塞曼子能級上。落在子能級的原子不能再吸取光而被“存儲”在那里。其它各子能級的原子還可以再吸取光子反復(fù)上述過程。假如，通過反復(fù)的共振吸取和自發(fā)輻射，最后原子將集中在基態(tài)的的子能級上。這時我們說原子狀態(tài)發(fā)生了“偏極化”?？梢韵胂?，這是從基態(tài)各塞曼子能級（除外）中取出一些原子，瞬時地通過激發(fā)態(tài)，把它們抽運(yùn)到基態(tài)這個存儲器中去。這樣的過程，就是“光泵”的由來。假如用光照射，將發(fā)生類似上述的過程，最后原子將聚集在的子能級上。顯然，用光照射是不也許發(fā)生光抽運(yùn)過程的。馳豫過程在熱平衡狀態(tài)下，基態(tài)各子能級上的粒子服從玻爾茲曼分布（）。由于各子能級的能量差極小，近似地可認(rèn)為各子能級上粒子數(shù)是相等的。光抽運(yùn)導(dǎo)致的粒子數(shù)差使原子系統(tǒng)處在非熱平衡分布狀態(tài)。系統(tǒng)由非熱平衡分布狀態(tài)趨向于熱平衡分布狀態(tài)的過程稱為馳豫過程。本實(shí)驗(yàn)馳豫的微觀過程很復(fù)雜，這里只提及與馳豫有關(guān)的幾個重要過程：（1）銣原子與容器壁的碰撞，這種碰撞導(dǎo)致子能級之間的躍遷，使原子恢復(fù)到熱平衡分布，失去光抽運(yùn)所導(dǎo)致的偏極化。（2）銣原子之間的碰撞，這種碰撞導(dǎo)致自旋——自旋互換馳豫。當(dāng)外磁場為塞曼子能級簡并時這種馳豫使原子回到熱平衡分布，失去失去偏極化。（3）銣原子與緩沖氣體之間的碰撞，由于選作緩沖氣體的分子磁性很?。ㄈ纾?，碰撞對銣原子磁能態(tài)擾動極小。這種碰撞對原子的極化基本沒有影響。在光軸抽運(yùn)最佳溫度下，銣蒸汽的原子密度約為個/當(dāng)樣品泡直徑為5cm時容器壁的原子面密度約為個/，因此銣原子與器壁碰撞是失去偏極化的重要因素。在樣品泡中充進(jìn)10托左右的緩沖氣體可大大減少這種碰撞，由于此強(qiáng)壓下緩沖氣體的密度約為個/，比銣蒸汽原子密度高6個數(shù)量級，大大減少了銣原子與器壁碰撞的機(jī)會，保持了原子高度的偏極化。溫度升高銣蒸汽原子密度升高，銣原子與器壁及銣原子之間的碰撞都增長，使原子的偏極化減少。而溫度過低時銣蒸汽原子數(shù)太少，信號幅度也很小，因此有個最佳溫度范圍，一般在40~60之間。緩沖氣體分子不也許將子能級之間的躍遷所有克制，因此不也許把粒子所有抽運(yùn)到子能級上。（充緩沖氣體后，基態(tài)有非熱平衡分布恢復(fù)到熱平衡分布的馳豫時間約在的數(shù)量級）。處在態(tài)的原子需要與緩沖氣體分子碰撞多次才有也許發(fā)生能量轉(zhuǎn)移。由于所發(fā)生的過程重要是無輻射躍遷，所以返回到基態(tài)八個塞曼子能級的幾率均等，因此緩沖氣體分子尚有將粒子更快地抽運(yùn)到子能級的作用。一般情況下，光抽運(yùn)導(dǎo)致塞曼子能級間的粒子數(shù)差比玻爾茲曼分布導(dǎo)致的粒子數(shù)差要大幾個數(shù)量級。也有類似的結(jié)論，不同之處是光將原子光抽運(yùn)到基態(tài)的子能級上。塞曼子能級間的磁共振前面討論了光抽運(yùn)的物理過程，它是電偶極子躍遷的過程，屬于光共振性質(zhì)。這里我們要引入磁共振的概念。原子具有磁距，在外加電磁波的交變電磁場作用下，磁距運(yùn)動狀態(tài)發(fā)生改變，使原子能量狀態(tài)發(fā)生改變。這種在交變磁場作用下原子能量狀態(tài)的改變稱為磁偶極子的共振躍遷，或者叫磁共振。在弱磁場中相鄰塞曼子能級的能量差為：（6）其中為玻爾磁子爾格/高斯在垂直于恒定磁場的方向上加一圓頻率為的射頻場，此射頻場可分解為一左旋圓偏振磁場與一右旋圓偏振場，當(dāng)時，右旋進(jìn)動，起作用的是右旋圓偏振磁場（圖2）。當(dāng)滿足共振條件：（7）即（8）塞曼子能級之間將產(chǎn)生磁共振。本實(shí)驗(yàn)中的一個重要過程是被抽運(yùn)到基態(tài)子能級上的大量粒子由于射頻場的作用產(chǎn)生磁偶極子的受激發(fā)躍遷，即由躍遷到（當(dāng)然也有）。同時由于抽運(yùn)光的存在，處在基態(tài)非子能級上的粒子又將被抽運(yùn)到的子能級上。磁共振與光抽運(yùn)將達(dá)成一個新的動態(tài)平衡。在產(chǎn)生磁共振時使得原子能態(tài)在各塞曼子能級間重新分布，原有的偏極化被破壞了。在產(chǎn)生磁共振時各子能級上的粒子數(shù)比不共振時要大，從而使光學(xué)共振的光抽運(yùn)過程從頭開始。因此對光的吸取增大。由于兩種共振現(xiàn)象互相依存，故總稱為光磁共振。（a）未發(fā)生磁共振時，上粒子數(shù)多；（b）發(fā)生磁共振時上粒子數(shù)減少。對光的吸取增長。由上可知使磁偶極子產(chǎn)生共振躍遷的外加電磁輻射有一定的條件：（1）電磁輻射的場的交變磁場頻率必須和原子磁距繞靜磁場進(jìn)動的頻率相等（對銣原子來說這一頻率正好在射頻范圍內(nèi)）。（2）必須和垂直必須是圓偏振場。其轉(zhuǎn)動方向應(yīng)當(dāng)與原子角動量的進(jìn)動方向一致。事實(shí)上我們正是通過一對亥姆霍茲線圈給吸取池加上個垂直射頻場，使。由于。所以射頻場對水平直流場來說，是一個含時間的微擾。當(dāng)射頻場的頻率等于（8）式出的頻率時，就產(chǎn)生了磁共振現(xiàn)象。光探測照射到樣品上的光一方面起光抽運(yùn)的作用。另一方面透過樣品的光兼作探測光一束光起了抽運(yùn)與探測作用。前面已提到與磁共振相隨著有對光吸取的變化，因此測光強(qiáng)的變化即可得到磁共振的信號，這就實(shí)現(xiàn)了磁共振的光探測。由于巧妙地將一個低頻射頻光子（1—10MHz）的變化轉(zhuǎn)換成了一個高頻光頻光子（MHz）的變化，這就把信號強(qiáng)度提高了7~8個量級。三．實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)裝置如圖4。光源用高頻無極放電銣燈，其優(yōu)點(diǎn)是穩(wěn)定性好、噪音小、光強(qiáng)大。濾波片用干涉濾波片，透過率大于60%，帶寬小于150，能很好地濾去光（光不利于的光抽運(yùn)）。偏振片用高碘硫酸奎寧偏振片。1/4波片用40左右厚的云母片。透鏡將光源發(fā)出的光變?yōu)槠叫泄?，焦距較小為宜，可用凸透鏡。透鏡將透過樣品泡的平行光會聚到光電接受器上。產(chǎn)生水平磁場的亥姆霍茲線圈的軸線應(yīng)與地磁水平分量一致。產(chǎn)生垂直方向磁場的亥姆霍茲線圈以抵消地磁場的垂直分量。水平磁場由0至2（或更高）高斯連續(xù)可調(diào)。水平方向掃場需幾十毫高斯至1高斯左右。掃場信號有方波及三角波。能與示波器的掃描同步。頻率由幾周至十幾周均可，本實(shí)驗(yàn)的掃場頻率為20Hz。射頻線圈安放在樣品泡兩側(cè)使方向垂直于方向。射頻信號源用XD2A信號發(fā)生器。頻率范圍1Hz~1MHz。輸出功率0.5W。樣品泡是一個充有適量天然銣的直徑約為5cm的玻璃泡，泡內(nèi)充有約10托的緩沖氣體（氮、氦等），樣品泡放在恒溫室中，室內(nèi)溫度有30~70可調(diào)，恒溫時溫度波動小于。光探測器由光電接受元件及放大電路組成。本實(shí)驗(yàn)選用光電池作光接受元件。如所用示波器的靈敏度高于500時，可以不加放大器直接觀測光電池的輸出信號。四.實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)及內(nèi)容（1）準(zhǔn)備在輔助源加電之前。應(yīng)檢查各聯(lián)線是否對的，將“垂直”、“水平”、“池溫”、“幅度”旋鈕調(diào)至最小，斷開吸取池加溫電流，“工作監(jiān)視”置于“燈溫”。然后接通電流，按下“預(yù)熱”按鍵。監(jiān)視“燈溫”約90左右時（約30分鐘），再按下“工作”按鍵。否則容易損壞銣燈的振蕩電路。（2）觀測光抽運(yùn)信號先接通吸取池加溫電流，同時監(jiān)視池溫，掃場選擇“方波”。再將指南針置于吸取池附近，調(diào)節(jié)掃場的方向和幅度，使掃場與地磁水平分量方向相反。然后旋轉(zhuǎn)偏振光，調(diào)節(jié)掃場幅度及垂直場大小和方向，可觀測到光抽運(yùn)信號，如圖5所示。再仔細(xì)調(diào)節(jié)光路聚焦，當(dāng)池溫約55時，光抽運(yùn)幅度最大。圖6反映了原子內(nèi)部的馳豫過程。當(dāng)池溫改變時，及均有明顯的變化。地磁場對光抽運(yùn)信號有很大影響，特別是地磁場的垂直分量。為抵消地磁場的垂直分量，安裝了一對垂直方向的亥姆霍茲線圈。當(dāng)垂直方向磁場為零時，（地磁場的垂直分量被抵消）光抽運(yùn)的信號有最大值。圖5.光抽運(yùn)信號圖6.馳豫過程示波軌跡（3）觀測光磁共振譜線(1)測量g因子掃場選擇三角波，射頻信號發(fā)生器調(diào)到某一擬定的頻率。然后調(diào)節(jié)水平場電壓，并使其磁場方向與地磁水平分量和掃場方向相同，相應(yīng)圖7（a）波形，可讀出的電壓數(shù)值。再波動水平場的方向開關(guān)，使其方向與地磁水平分量和掃場方向相反，仍用上述方向，可得到的電壓數(shù)值。如圖7（b）所示這樣相應(yīng)于頻率的磁場值為。即排除了地磁水平分量及掃場直流分量的影響，水平磁場的數(shù)值可從表頭指示