1、聲光調(diào)制實驗【實驗?zāi)康摹?、了解聲光調(diào)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(yīng)的幅度特性和偏轉(zhuǎn)特性?！緦嶒瀮x器及裝置】聲光調(diào)制實驗儀（半導(dǎo)體激光器、聲光調(diào)制晶體、光電接收等）、示波器。圖5.1所示為聲光調(diào)制實驗儀的結(jié)構(gòu)框圖。由圖可見，聲光調(diào)制實驗系統(tǒng)由光路與電路兩大單元組成。-圖5.1聲光調(diào)制實驗系統(tǒng)框圖一、光路系統(tǒng)由激光管（L）、聲光調(diào)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(gòu)成聲光調(diào)制儀的光路系統(tǒng)。注： 本系統(tǒng)僅提供半導(dǎo)體激光管（包含電源）作為光源， 如使用氦氖激光管或其他激光源時，需另配置其它配套電源。、電路系統(tǒng)除光電轉(zhuǎn)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。泌SANLING SGT-1型離光調(diào)制實驗儀鼻圖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(guān)控制主電源，按通時開關(guān)指示燈亮，冋時對半導(dǎo)體激光器供電。*解調(diào)輸出插座解調(diào)信號的輸出插座，可送示波器顯示。*解調(diào)幅度旋鈕用于調(diào)節(jié)解調(diào)監(jiān)聽與信號輸出的幅度。*載波幅度旋鈕用于調(diào)節(jié)聲光調(diào)制的超聲信號功率。*載波選擇開關(guān)用于對聲光調(diào)制超聲源的選擇：關(guān)無聲光調(diào)制80MHz使用80MHz晶振的聲光調(diào)制I 6080MHz 聲光調(diào)制n 80100MHz聲光調(diào)制*載波頻率旋鈕用以調(diào)節(jié)聲光調(diào)制的超聲信號頻率。*調(diào)制監(jiān)視插座將調(diào)制信號輸出到

3、示波器顯示的插座。（輸出波形既可與解調(diào)信號進(jìn)行比較，也可呈現(xiàn)出射光的能量分布狀態(tài)）*外調(diào)輸入插座用于對聲光調(diào)制的載波信號進(jìn)行音頻調(diào)制的插座。（插入外來信號時1kHz內(nèi)置的音頻信號自動斷開）*調(diào)制幅度旋鈕用以調(diào)節(jié)音頻調(diào)制信號的幅度。*接收光強(qiáng)指示數(shù)字顯示經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后光信號大小。*載波電壓指示數(shù)字顯示聲光調(diào)制的超聲信號幅度。*載波頻率指示數(shù)字顯示聲光調(diào)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(cè)下部為標(biāo)準(zhǔn)三芯電源插座，用以連接220V交流市電，插座上方系保護(hù)電源用的熔絲。*至接收器與光電接收器連接的接口插座。*載波輸出輸出超聲功率至聲

4、光調(diào)制器的插座。*激光器電源供半導(dǎo)體激光器用的電源輸出插座。*解調(diào)監(jiān)聽直接送有源揚(yáng)聲器發(fā)聲的輸出插座。三、系統(tǒng)連接1、 光源將半導(dǎo)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(wù)必按正負(fù)極性正確連接）2、 聲光調(diào)制由聲光調(diào)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(diào)輸出光電接收信號由“解調(diào)輸出”插座輸出，主控單元中的內(nèi)置信號（或外調(diào)輸入信號）由“調(diào)制監(jiān)視”插

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

6、空間作重新分布。聲光器件由聲光介質(zhì)和換能器兩部分組成。前者常用的有鉬酸鉛（PM、氧化碲等，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(diào)制原理圖。聲波吸收器射頻信號圖1圖聲光調(diào)光調(diào)原的原理滿足以下條件時，衍射光最理論分析指出，當(dāng)入射角（入射光與超聲波面間的夾角）強(qiáng)。(5.1)式中N為衍射光的級數(shù)，、k分別為入射光的波長和波數(shù) k , ' s與K分別為超2兀聲波的波長和波數(shù) K二。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，故一般聲光器件主要工作在僅出現(xiàn)

7、一級光（N=1）的布拉格區(qū)。滿足布拉格衍射的條件是：SinF（5.2）B 2%（式中F與：s分別為超聲波的頻率與速度，'為光波的波長）當(dāng)滿足入射角 K較小，且 E - g的布拉格衍射條件下，由（5.1 ）式可知，此時K,，并有最強(qiáng)的正一級（或負(fù)一級）的衍射光呈現(xiàn)。入射（掠射）角 日i與衍射角&b之和稱為偏轉(zhuǎn)角 日d （參見圖5.4 ），由（5.2 ）式:2-b二FV(5.3)由此可見，當(dāng)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(zhì)中的傳播速度為：Vs(5.4)【實驗內(nèi)容及步驟】一、實驗準(zhǔn)備1、按圖5.1的系統(tǒng)組成圖先在光具座的滑座上放置好激

8、光器和光電接收器。2、 所有滑動座中心全部調(diào)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(diào)制器的載物臺。注意使各滑座的0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(zhǔn)直：（1） 打開激光電源，調(diào)節(jié)激光電位器使激光束有足夠強(qiáng)度。調(diào)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。（去（2） 調(diào)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除蓋子則光強(qiáng)指示最大)，此后激光器與接收器的位置不宜再動。4、按系統(tǒng)

9、連接方法將激光器、聲光調(diào)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(diào)制監(jiān)視”與“解調(diào)輸出”插座與雙蹤示波器的Yi、 Yn輸入端相連，移去接收器塑蓋時，接收光強(qiáng)指示表應(yīng)有讀數(shù)。6、 將聲光調(diào)制器的透光孔置于載物平臺的中心位置，用壓桿將調(diào)制器初步固定， 然后使該滑 座在靠近激光管附近的導(dǎo)軌內(nèi)就位。7、 調(diào)節(jié)載物平臺的高度和轉(zhuǎn)向， 使激光束恰在聲光調(diào)制器的透光孔中間穿過，再用壓桿將聲光調(diào)制器緊固定。載物平臺的轉(zhuǎn)向應(yīng)在土10°以內(nèi)。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(diào)制的偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象(1) 調(diào)節(jié)激光束的亮度，使在像屏中

10、心有明晰的光點呈現(xiàn)，此即為聲光調(diào)制的 0級光斑。(2) 打開載波選擇開關(guān)，撥至“ 80MHz的檔級，調(diào)節(jié)“載波幅度”旋鈕，此時80MHz 的超聲波即對聲光介質(zhì)進(jìn)行調(diào)制。(3) 微調(diào)載物平臺上聲光調(diào)制器的轉(zhuǎn)向，以改變聲光調(diào)制器的光點入射角，即可出現(xiàn)因聲光調(diào)制而偏轉(zhuǎn)的衍射光斑。當(dāng)一級衍射光最強(qiáng)時，聲光調(diào)制器即運(yùn)轉(zhuǎn)在布拉格條 件下的偏轉(zhuǎn)狀態(tài)。注：仔細(xì)調(diào)節(jié)光束對聲光調(diào)制器的角度可使衍射光強(qiáng)達(dá)最大值。2、測試聲光調(diào)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(diào)接收器滑座的測微機(jī)構(gòu)，使接收孔橫向移動到一級光的位置(監(jiān)視“接收光強(qiáng) 指示”表使其達(dá)最大值)。注：為獲

11、得較好的線性效果，應(yīng)控制激光功率，不使接收光強(qiáng)飽和，其接收光強(qiáng)指示的最大值應(yīng)在 5.8的讀數(shù)范圍內(nèi)。(3) 將載波選擇開關(guān)撥至“ 80MHz的檔級，調(diào)節(jié)“載波幅度”旋鈕，分別讀出載波電壓與接收光強(qiáng)的大小，畫出光強(qiáng)調(diào)制電壓的關(guān)系曲線(IdU)3、觀察聲光調(diào)制隨頻率偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象(1)按測試“聲光調(diào)制幅度特性”的步序，先將“載波選擇”置于“關(guān)”的位置，記下接收器滑座橫向測微計在0級時的讀數(shù)do。1級光（或多級光）的平移變（2）將“載波選擇”開關(guān)置于i和n的位置，可以觀察到化現(xiàn)象。4、測試聲光調(diào)制頻率偏轉(zhuǎn)特性F與測微計讀數(shù)di。（1）將“載波選擇”開關(guān)置于i和n的位置，調(diào)節(jié)“載波頻率”旋鈕，微調(diào)接收器橫向

12、測微計，使其始終跟蹤一級光的位置。分別記下載波頻率指示待測得1級光和o級光點間的距離d與聲光調(diào)制器到接收孔之間的距離 L （由導(dǎo)軌面上標(biāo)尺讀出）后，由于 L>> d,即可求出聲光調(diào)制的偏轉(zhuǎn)角:畫出偏轉(zhuǎn)角一一調(diào)制頻率的關(guān)系曲線（BdF）。（2）測得各調(diào)制頻率 F值所對應(yīng)的衍射光強(qiáng)Id,畫出衍射光強(qiáng)調(diào)制頻率的關(guān)系曲線（IdF）,該曲線中的Id峰值Idmax應(yīng)與中心頻率相對應(yīng)，而其與下降3dB所對應(yīng)的頻率差即為聲光調(diào)制器的帶寬。注：改變頻率時載波幅度會跟著改變，應(yīng)隨時調(diào)節(jié)“載波幅度”旋鈕，以盡量保持調(diào)制幅度（載波電壓表指示讀數(shù)）一致。5、測量聲光調(diào)制器的衍射效率衍射效率n定義為：即最大衍

13、射光強(qiáng)Idmax與0級光強(qiáng)I0之比，分別測得最強(qiáng)衍射光與0級光的光強(qiáng)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 F （80MHZI、偏轉(zhuǎn)角5與激光波長扎（630680nm,可取650nm）各值代F九入公式Vs，即可計算出超聲波在介質(zhì)中的傳播速度Vs。三、聲光調(diào)制與光通訊實驗演示（可選做）80MHz檔位，適當(dāng)將音頻信號（來自廣播收音機(jī)、錄音機(jī)、CD機(jī)等音源）輸入到本機(jī)的“外調(diào)輸入”插座,將揚(yáng)聲器插入主控單元后面板的“解調(diào)監(jiān)聽”插座，打開載波選擇開關(guān)至調(diào)節(jié)載波幅度與解調(diào)幅度即可使揚(yáng)聲器播放出音響節(jié)目。注：在揚(yáng)聲器播音的同時，亦可由示波器監(jiān)視調(diào)制波形和解調(diào)波形 如需觀察載波或調(diào)幅波信號

14、需用頻響 100MHz以上的示波器【實驗數(shù)據(jù)處理與分析】1、測試聲光調(diào)制的幅度特性表5.1聲光調(diào)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(qiáng)1 d0.150.170.581.061.752.37載波幅度um( V)33.544.555.5一級衍射光光強(qiáng)1 d3.214.124.875.125.265.32作I dum曲線。- 1趣衍射光光強(qiáng)Id聲光調(diào)制幅度特性2-0I I' I I1 I' I1 I0123456載波輪度Um (V)2、測試聲光調(diào)制頻率偏轉(zhuǎn)特性零級光位置 do=11.230mm；聲光調(diào)制器與接收孔間的距離L= 46.0cm。表5

15、.2聲光調(diào)制偏轉(zhuǎn)角與調(diào)制頻率實驗數(shù)據(jù)表載波頻率F(MHz)60708090100一級衍射光位置d1(mm)7.1136.5115.8095.0124.563距離 d=| d i - d 0 |4.1174.7195.4216.2186.667偏轉(zhuǎn)角0 d d/L0.00890.01030.01180.01350.0145作 0 dF曲線。載波頻率F(MHz)表5.3聲光調(diào)制衍射光強(qiáng)與調(diào)制頻率實驗數(shù)據(jù)表載波頻率F(MHz)60708090100一級衍射光光強(qiáng)1 d0.770.891.252.730.82作I dF曲線。戟波頻率F(MHz)3、測量聲光調(diào)制器的衍射效率最大衍射光強(qiáng) I dma=2.

16、73A;0 級光強(qiáng) Io=5.13V;衍射效率n =53.21%。4、測量超聲波的波速超聲波在介質(zhì)中的傳播速度 Vs=?！緦嶒炞⒁馐马棥?、 為防止強(qiáng)激光束長時間照射而導(dǎo)致光敏管疲勞或損壞，調(diào)節(jié)或使用后請隨即用塑蓋將光電 接收孔蓋好。2、調(diào)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(diào)節(jié)半導(dǎo)體激光器功率時，不要用力過大而損壞功率調(diào)節(jié)旋鈕。4、調(diào)節(jié)載物平臺的轉(zhuǎn)向應(yīng)在土 10 °以內(nèi)。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(biāo)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(dāng)聲波在某介質(zhì)中傳播時，會隨時間與空間的周期性發(fā)生彈性應(yīng)變， 造成介質(zhì)密度的周期性變化。介質(zhì)隨超聲應(yīng)變與折射率變化的這一特性，可使光在介質(zhì)中