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声光调制实验
声光调制实验
声光调制实验
【实验目的】
1、了解声光调制实验原理;
2、研究声场与光场相互作用的物理过程;
3、测量声光效应的幅度特性和偏转特性。
【实验仪器及装置】
声光调制实验仪(半导体激光器、声光调制晶体、光电接收等)、示波器。
图5.1所示为声光调制实验仪的结构框图。
由图可见,声光调制实验系统由光路与电路两大单元组成。
图5.1声光调制实验系统框图
一、光路系统
由激光管(L)、声光调制晶体(AOM)与光电接收(R)、CCD接收等单元组装在精密光具座上,构成声光调制仪的光路系统。
二、电路系统
除光电转换接收部件外,其余电路单元全部组装在同一主控单元之中。
图5.2主控单元前面板
图5.2为电路单元的仪器前面板图,各控制部件的作用如下:
∙电源开关
控制主电源,按通时开关指示灯亮,同时对半导体激光器供电。
∙解调输出插座
解调信号的输出插座,可送示波器显示。
∙解调幅度旋钮
用于调节解调监听与信号输出的幅度。
∙载波幅度旋钮
用于调节声光调制的超声信号功率。
∙载波选择开关
用于对声光调制超声源的选择:
关——无声光调制
80MHz——使用80MHz晶振的声光调制
Ⅰ——60~80MHz声光调制
Ⅱ——80~100MHz声光调制
∙载波频率旋钮
用以调节声光调制的超声信号频率。
∙调制监视插座
将调制信号输出到示波器显示的插座。
(输出波形既可与解调信号进行比较,也可呈现出射光的能量分布状态)
∙外调输入插座
用于对声光调制的载波信号进行音频调制的插座。
(插入外来信号时1kHz内置的音频信号自动断开)
∙调制幅度旋钮
用以调节音频调制信号的幅度。
∙接收光强指示
数字显示经光电转换后光信号大小。
∙载波电压指示
数字显示声光调制的超声信号幅度。
∙载波频率指示
数字显示声光调制的超声信号频率。
图5.3控制单元后面板
图5.3为电路单元的仪器后面板图,板面各插座的功能如下:
∙交流电源
右侧下部为标准三芯电源插座,用以连接220V交流市电,插座上方系保护电源用的熔丝。
∙至接收器
与光电接收器连接的接口插座。
∙载波输出
输出超声功率至声光调制器的插座。
∙激光器电源
供半导体激光器用的电源输出插座。
∙解调监听
直接送有源扬声器发声的输出插座。
三、系统连接
1、光源
将半导体激光器电源线缆插入主控单元后面板的“激光器电源”插座中。
(如使用He-Ne激光管,需自配电源,且其输出直流高压务必按正负极性正确连接)
2、声光调制
由声光调制器的BNC插座引出的同轴电缆插入主控单元后面板的“载波输出”插座上。
3、光电接收
将光电接收部件(位于光具座末端)的多芯电缆连接到主控单元后面板的“至接收器”航空插座上,以便将光电接收信号送到主控单元。
4、解调输出
光电接收信号由“解调输出”插座输出,主控单元中的内置信号(或外调输入信号)由“调制监视”插座输出。
以上两信号可同时送入双踪示波器显示或进行比较。
5、扬声器
将有源扬声器插入后面板的“解调监听”插座即可发声,音量由有源扬声器中的音量控制旋钮控制。
(音量大小也与“载波幅度”与“解调幅度”旋钮有关)
【实验原理】
当声波在某些介质中传播时,会随时间与空间的周期性的弹性应变,造成介质密度(或光折射率)的周期变化。
介质随超声应变与折射率变化的这一特性,可使光在介质中传播时发生衍射,从而产生声光效应:
存在于超声波中的此类介质可视为一种由声波形成的位相光栅(称为声光栅),其光栅的栅距(光栅常数)即为声波波长。
当一束平行光束通过声光介质时,光波就会被该声光栅所衍射而改变光的传播方向,并使光强在空间作重新分布。
声光器件由声光介质和换能器两部分组成。
前者常用的有钼酸铅(PM)、氧化碲等,后者为由射频压电换能器组成的超声波发生器。
如图5.4所示为声光调制原理图。
图5.4声光调制的原理
理论分析指出,当入射角(入射光与超声波面间的夹角)
满足以下条件时,衍射光最强。
(5.1)
式中N为衍射光的级数,
、k分别为入射光的波长和波数
,
与K分别为超声波的波长和波数
。
声光衍射主要分为布拉格(Bragg)衍射和喇曼-奈斯(Raman-Nath)衍射两种类型。
前者通常声频较高,声光作用程较长;后者则反之。
由于布拉格衍射效率较高,故一般声光器件主要工作在仅出现一级光(N=1)的布拉格区。
满足布拉格衍射的条件是:
(5.2)
(式中F与
分别为超声波的频率与速度,
为光波的波长)
当满足入射角
较小,且
的布拉格衍射条件下,由(5.1)式可知,此时
,并有最强的正一级(或负一级)的衍射光呈现。
入射(掠射)角
与衍射角
之和称为偏转角
(参见图5.4),由(5.2)式:
(5.3)
由此可见,当声波频率F改变时,衍射光的方向亦将随之线性地改变。
同时由此也可求得超声波在介质中的传播速度为:
(5.4)
【实验内容及步骤】
一、实验准备
1、按图5.1的系统组成图先在光具座的滑座上放置好激光器和光电接收器。
2、所有滑动座中心全部调至零位,并用固定螺丝锁紧,使光器件初步共轴。
光电接收器的轴心要与光具座中心线平行,并安置好声光调制器的载物台。
注意使各滑座的0刻度处在光具座的中心位置。
测微螺旋初始值最好在10~15mm之间。
3、光路准直:
(1)打开激光电源,调节激光电位器使激光束有足够强度。
调节激光器架上的三只夹持螺钉使激光束基本保持水平,用直尺量激光器光源输出口高度与光电接收器中心高度,使二者等高。
此时激光器头部保持固定。
(2)调节激光器尾部的夹持螺钉,使激光束的光点保持在接收器的塑盖中心位置上(去除盖子则光强指示最大),此后激光器与接收器的位置不宜再动。
4、按系统连接方法将激光器、声光调制器、光电接收等组件连接到位。
5、用所提供的电缆线分别将前面板的“调制监视”与“解调输出”插座与双踪示波器的YⅠ、YⅡ输入端相连,移去接收器塑盖时,接收光强指示表应有读数。
6、将声光调制器的透光孔置于载物平台的中心位置,用压杆将调制器初步固定,然后使该滑座在靠近激光管附近的导轨内就位。
7、调节载物平台的高度和转向,使激光束恰在声光调制器的透光孔中间穿过,再用压杆将声光调制器紧固定。
载物平台的转向应在±10°以内。
8、将光电接收器前端的弹簧钢丝夹夹持住白色像屏。
二、实验现象观察及数据测量
1、观察声光调制的偏转现象
(1)调节激光束的亮度,使在像屏中心有明晰的光点呈现,此即为声光调制的0级光斑。
(2)打开载波选择开关,拨至“80MHz”的档级,调节“载波幅度”旋钮,此时80MHz的超声波即对声光介质进行调制。
(3)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点入射角,即可出现因声光调制而偏转的衍射光斑。
当一级衍射光最强时,声光调制器即运转在布拉格条件下的偏转状态。
2、测试声光调制的幅度特性
(1)取去像屏,使激光束的0级光仍落在光敏接收孔的中心位置上。
(2)微调接收器滑座的测微机构,使接收孔横向移动到一级光的位置(监视“接收光强指示”表使其达最大值)。
注:
为获得较好的线性效果,应控制激光功率,不使接收光强饱和,其接收光强指示的最大值应在5.8的读数范围内。
(3)将载波选择开关拨至“80MHz”的档级,调节“载波幅度”旋钮,分别读出载波电压与接收光强的大小,画出光强~调制电压的关系曲线(Id~Um)。
3、观察声光调制随频率偏转现象
(1)按测试“声光调制幅度特性”的步序,先将“载波选择”置于“关”的位置,记下接收器滑座横向测微计在0级时的读数d0。
(2)将“载波选择”开关置于Ⅰ和Ⅱ的位置,可以观察到1级光(或多级光)的平移变化现象。
4、测试声光调制频率偏转特性
(1)将“载波选择”开关置于Ⅰ和Ⅱ的位置,调节“载波频率”旋钮,微调接收器横向测微计,使其始终跟踪一级光的位置。
分别记下载波频率指示F与测微计读数d1。
待测得1级光和0级光点间的距离d与声光调制器到接收孔之间的距离L(由导轨面上标尺读出)后,由于L>>d,即可求出声光调制的偏转角:
画出偏转角——调制频率的关系曲线(θd~F)。
(2)测得各调制频率F值所对应的衍射光强Id,画出衍射光强~调制频率的关系曲线(Id~F),该曲线中的Id峰值Idmax应与中心频率相对应,而其与下降3dB所对应的频率差即为声光调制器的带宽。
注:
改变频率时载波幅度会跟着改变,应随时调节“载波幅度”旋钮,以尽量保持调制幅度(载波电压表指示读数)一致。
5、测量声光调制器的衍射效率
衍射效率η定义为:
即最大衍射光强Idmax与0级光强I0之比,分别测得最强衍射光与0级光的光强值,其比值即为衍射效率。
6、测量超声波的波速
将超声波频率F(80MHz)、偏转角
与激光波长
(630~680nm,可取650nm)各值代入公式
,即可计算出超声波在介质中的传播速度
。
三、声光调制与光通讯实验演示(可选做)
将音频信号(来自广播收音机、录音机、CD机等音源)输入到本机的“外调输入”插座,将扬声器插入主控单元后面板的“解调监听”插座,打开载波选择开关至80MHz档位,适当调节载波幅度与解调幅度即可使扬声器播放出音响节目。
注:
∙在扬声器播音的同时,亦可由示波器监视调制波形和解调波形。
∙如需观察载波或调幅波信号需用频响100MHz以上的示波器。
【实验数据处理与分析】
1、测试声光调制的幅度特性
表5.1声光调制幅度特性实验数据表
载波幅度Um(V)
0
0.5
1
1.5
2
2.5
一级衍射光光强Id
0.15
0.17
0.58
1.06
1.75
2.37
载波幅度Um(V)
3
3.5
4
4.5
5
5.5
一级衍射光光强Id
3.21
4.12
4.87
5.12
5.26
5.32
作Id~Um曲线。
2、测试声光调制频率偏转特性
零级光位置d0=11.230mm;
声光调制器与接收孔间的距离L=46.0cm。
表5.2声光调制偏转角与调制频率实验数据表
载波频率F(MHz)
60
70
80
90
100
一级衍射光位置d1(mm)
7.113
6.511
5.809
5.012
4.563
距离d=|d1-d0|
4.117
4.719
5.421
6.218
6.667
偏转角θd≈d/L
0.0089
0.0103
0.0118
0.0135
0.0145
作θd~F曲线。
表5.3声光调制衍射光强与调制频率实验数据表
载波频率F(MHz)
60
70
80
90
100
一级衍射光光强Id
0.77
0.89
1.25
2.73
0.82
作Id~F曲线。
3、测量声光调制器的衍射效率
最大衍射光强Idmax=2.73A;
0级光强I0=5.13V;
衍射效率η=53.21%。
4、测量超声波的波速
超声波在介质中的传播速度
=403.3m/s。
【实验注意事项】
1、为防止强激光束长时间照射而导致光敏管疲劳或损坏,调节或使用后请随即用塑盖将光电接收孔盖好。
2、调节过程中必须避免激光直射人眼,以免对眼睛造成危害。
3、调节半导体激光器功率时,不要用力过大而损坏功率调节旋钮。
4、调节载物平台的转向应在±10°以内。
5、实验数据的单位和精度要求:
角度单位为rad,螺旋测微器和标尺都需要估读一位。
【实验思考题】
1、叙述声光衍射的基本原理,说明布拉格衍射和喇曼-奈斯衍射的区别。
答:
声光衍射基本原理:
当声波在某介质中传播时,会随时间与空间的周期性发生弹性应变,造成介质密度的周期性变化。
介质随超声应变与折射率变化的这一特性,可使光在介质中传播时发生衍射,从而产生声光效应。
区别:
布拉格衍射声光作用长度较长,超声波的频率较高,光束与声波波面之间以一定的角度斜入射;喇曼-奈斯衍射声光作用长度较短,超声波的频率较低,光波垂直于声场传播的方向。
2、布拉格衍射有哪些条件,布拉格衍射条件对声光调制实验有何指导意义?
答:
布拉格衍射条件是:
式中,F和
分别是超声波的频率和速度,
为光波的波长。
当满足入射角
较小,且
的布拉格衍射条件下,此时有最强的正一级(负一级)的衍射光出现。
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