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1、实验十三 晶体声光效应与声光调制实验实验十三 晶体声光效应与声光调制实验 当光波通过受到超声波扰动的介质时会发生衍射现象，这种现象被称为声光效应，它是光波与介质中声波相互作用的结果。声光效应可以用于控制激光束的频率、方向和强度，利用声光效应制成的各种声光器件，如声光调制器、声光偏转器和可调谐滤光器等，在激光技术、光信息处理和集成光通信技术等方面有着重要的应用。 一、实验目的 1. 掌握声光效应的原理和实验规律； 2. 观察喇曼-奈斯衍射的实验条件和特点； 3. 利用声光效应测量声波在介质中的传播速度； 4. 测量声光器件的衍射效率和带宽； 5. 了解声光效应在新技术中的应用； 二、实验原理 当
2、超声波在介质中传播时，将引起介质的弹性应变作时间上和空间上的周期性变化，并且导致介质的折射率也发生相应的变化。当光束通过有超声波的介质后就会产生衍射现象，这就是声光效应。有超声波传播的介质如同一个相位光栅。根据超声波频率的高低或声光相互作用长度的长短，可以将光与弹性声波作用产生的衍射分为两种类型，即喇曼奈斯型衍射和布拉格型衍射。 1. 喇曼奈斯衍射 当超声波频率较低、声光相互作用距离较小时，即 l2ls 2l0平面光波沿z轴入射，就相当于通过一个相位光栅，将产生喇曼奈斯衍射，如图2所示。 根据相关理论可以证明以下结论： 各级衍射角满足下列关系： sinq=ml0 ls 1 其中，0为入射激光波
3、长，s为超声波波长，m=0，1，2，3，。 各级衍射光强与入射光强之比为： Im2=Jm(n) I入其中，Jm(n)为m阶贝塞尔函数，n=光强是对称分布的。 各级衍射光的频率由于产生了多普勒频移而各不相同，各级衍射光的频率为2pl022(n)=J-n)，所以零级极值两侧的mL。因为Jmm(w0mws。 2布拉格衍射 当超声波频率较高，声光相互作用距离较大，满足 l2l2sl并且光束与声波波面间保持一定的角度入射时，将产生布拉格衍射。这种衍射与晶体对故称为布喇格X光的布喇格衍射很类似，衍射。能产生这种衍射的光束入射角称为布喇格角。此时有超声波存在的介质起体积光栅的作用。布拉格衍射的特点是： 理想
4、情况下，只出现零级和1级衍射或1级衍射。 若参数合适、超声功率足够大，入射光功率几乎可以全部转换到1级或1级上。 产生布拉格衍射的入射角B满足关系： sinqB=l0 2ls1级衍射光强与入射光强之比为： I112p=sin2(DnL) Il2l3声光调制：无论是喇曼奈斯衍射还是布拉格衍射，都可以通过改变超声波的强度而改变衍射光的强度。所以可以把调制信号加在超声波功率放大级，以达到光强调制的目的。 4声光偏转：无论是喇曼奈斯衍射还是布拉格衍射，都可以通过改变超声波的 2 频率而改变衍射光的偏转方向。若对超声频率固定的超声发生器实现“开关”功能，在“开”时由于产生衍射，+1级或-1级衍射光存在，
5、在“关”时，衍射光不存在，就可实现“声光开关”功能。一般“声光开关”运用的是布拉格衍射。 三、实验仪器 LOSG-型晶体声光效应实验系统的组成如图1所示，主要包括光路部分和声光效应实验仪两部分。光路部分包括He-Ne激光器，激光器电源，声光器件，精密旋转台，导轨，白屏等；实验仪包括超声波信号源，脉冲方波产生器，光电池、光功率计，脉冲信号解调器等。实验时，需另配频率计和双踪示波器。 主要部件的技术指标： 1He-Ne激光器：波长 632.8nm，功率 2mw。 2.声光器件：工作波长 633nm，中心频率100MHz0.5 MHz，衍射效率 40%，脉冲重复频率1MHz。 3高频超声信号源： 工
6、作频率80120MHz，输出功率约为700mw； 调制脉冲频率10KHz，TTL接口； 4脉冲方波产生器：工作频率0.52KHz，TTL接口。 四、实验内容及步骤 1观察喇曼奈斯衍射现象 按照图1所示安置好有关部件：把激光器、精密旋转台、白屏等一字排列在轨道上， 3 声光器件固定在精密旋转台上；将激光器电源连接到激光器；把声光效应实验仪的超声功率输出用电缆连接到声光器件；“等幅/调幅”开关放在等幅位置，“光功率/解制”开关置于光功率。 打开HeNe激光器电源，调整声光器件在光路中的位置和光的入射角度，使光束穿过声光器件，照射在白屏上。 打开声光效应实验仪的电源仔细调整声光器件在光路中的位置和光
7、的入射角度，调整信号源输出功率至最大同时调节信号源输出频率，使光屏上显示的光点最多。出现喇曼奈斯型衍射，使之达到最佳状态。分别改变信号发生器的功率和频率，观察衍射现象的变化，记录实验现象。 2测量超声波长S和声速S 如图4所示，测量光屏上0级和一级衍射光点之间的距离a，声光器件与光屏之距离L，计算一级衍射角q，qsinq=a， 依据式有： Llllls=0=0=0L asinqq0其中，HeNe激光器波长式即可求得s。又因为： =632.8nm，m = 1，代入上vs=lsfs 式中fs为超声信号源的频率，可用频率计测量，这样就可求得声速vS。 具体测量如下： 在80120MHz之间，每隔约5
8、MHz测一次，记录-1和+1级之间的间隔，即2a。以fs为横坐标、2a为纵坐标作图。对实验点坐线性拟合，求其斜率，由此计算调制晶体中的声速vs。 3测量声光器件的衍射效率 在喇曼奈斯衍射条件下，一级衍射光的效率为： h=I1 Il其中，I1为1级衍射光强，I为入射光强。 将光电池插入实验仪的“光电池”插座，将功率计调零；再把光电池置于声光器件前 4 面，让光束对准光电池的入射孔，此时光功率计的读数即为入射光强I。然后再将光电池置于白屏前面，光电池入射孔对准一级衍射光点。由光功率计读出一级衍射光强I1。按式计算衍射效率。 4测量声光器件的带宽和中心频率 声光器件有一个衍射效率最大的工作频率,此频
9、率称为声光器件的中心频率,对于其它频率的超声波,其衍射效率将降低，一般认为衍射效率(或衍射光的相对光强)下降3dB(即衍射效率降到最大值的1时)两频率的间隔为声光器件的带宽。 2做这项实验时，将频率计的输入与实验仪的“测频”插座连接，测量超声信号源的频率。调节超声波的频率，用功率计测量各频点对应的一级衍射光强和入射光强。由于一级衍射光点的位置随频率的改变而改变，所以在测试过程中必须相应调整光电池的位置，使其入射孔始终对准一级衍射光。求得衍射效率与超声波频率的关系曲线，定出声光器件的带宽和中心频率。 5观测利用声光效应的信息传输实验 将实验仪的“等幅/调幅”开关置于调幅，“功率计/解调”开关置于
10、解调，“调制频率监测”和“解调监测”分别连接双踪示波器的X输入和Y输入。开启实验仪的电源，这样加到声光器件上的信号变成经脉冲方波调制的超声波，经过声光相互作用，传输到接受端。调节“调制频率”并控制“音量”，可由双踪示波器上观测调制频率和解调频率及其变化，并且由仪器内置的扬声器收听变化的音调。 注意：信息传输是利用衍射光，所以必须使光电池的入射孔对准一级衍射光。 五、注意事项 1高频超声信号源不得空载，即在开启实验仪电源前，应先将“输出”端与声光器件相连，否则，容易损坏超声信号源。 2声光器件应小心轻放，不得冲击碰撞，否则将可能损坏内部晶体而报废，这种损坏属于人为损坏，不予保修或更换。 3声光器件的通光面不得接触、擦拭、清洗，不做实验时，通光孔可用不干胶纸封住，否则易损坏光学增透膜，如有灰尘可用洗耳球吹去。 5
