《光电子技术》资料：2 实验二 声光调制实验.doc

1、实验一 声光调制实验【绪 论】早在本世纪30年代就开始了声光衍射的实验研究。60年代激光器的问世为声光现象的研究提供了良好的光源，促进了声光效应理论和应用研究的迅速发展。声光效应为控制激光束的频率、方向和强度提供了一个有效的手段。利用声光效应制成的声光器件，如声光调制器、声光偏转器和可调谐滤光器等，在激光技术、光信号处理和集成光通讯技术等方面有着重要应用。声光效应已广泛应用于声学、光学和光电子学近年来，随着声光技术的不断发展，人们已广泛地开始采用声光器件在激光腔内进行锁膜或作为连续器件的Q 开关。由于声光器件具有输入电压低驱动功率小、温度稳定性好、能承受较大光功率、光学系统简单、响应时间快、控

2、制方便等优点，加之新一代的优质声光材料的发现，使声光器件具有良好的发展前景，它将不断地满足工业、科学、军事等方面的需求。【原理部分】若有一超声波通过某种均匀介质，介质材料在外力作用下发生形变，分子间因相互作用力发生改变而产生相对位移，将引起介质内部密度的起伏或周期性变化，密度大的地方折射率大，密度小的地方折射率小，即介质折射率发生周期性改变。这种由于外力作用而引起折射率变化的现象称为弹光效应。弹光效应存在于一切物态。如上所述，当声波通过介质传播时，介质就会产生和声波信号相应的、随时间和空间周期性变化的。这部分受扰动的介质等效为一个“相位光栅”。其光栅常数就是声波波长s，这种光栅称为超声光栅。声

3、波在介质中传播时，有行波和驻波两种形式。特点是行波形成的超声光栅的栅面在空间是移动的，而驻波场形成的超声光栅栅面是驻立不动的。当超声波传播到声光晶体时，它由一端传向另一端。到达另一端时，如果遇到吸声物质，超声波将被吸声物质吸收，而在声光晶体中形成行波。由于机械波的压缩和伸长作用，则在声光晶体中形成行波式的疏密相间的构造，也就是行波形式的光栅。当超声波传播到声光晶体时，它由一端传向另一端。如果遇见反声物质，超声波将被反声物质反射，在返回途中和入射波叠加而在声光晶体中形成驻波。由于机械波压缩伸长作用，在声光晶体中形成驻波形式的疏密相同的构造，也就是驻波形式的光栅。声光效应是指光通过某一受到超声波扰

4、动的介质时发生衍射的现象，这种现象是光波与介质中声波相互作用的结果。【布拉格声光调制】我们设计的这套实验系统主要是用来完成利用布拉格衍射进行声光调制的各项实验，所以下面着重讲一下布拉格声光调制。如果声波频率较高，且声光作用长度较大，此时的声扰动介质也不再等效于平面位相光栅，而形成了立体位相光栅。这时，相对声波方向以一定角度入射的光波，其衍射光在介质内相互干涉，使高级衍射光相互抵消，只出现0级和1级的衍射光，这就是布拉格声光衍射，如图1所示，这种衍射形式效率较高，有利于制成各种实用器件。图1 布拉格声光衍射下面从波的干涉加强条件来推导布拉格方程。为此，可把声波通过的介质近似看作许多相距s的部分反

5、射、部分透射的镜面。对于行波场，这些镜面将以速度s沿x方向移动（因为mc所以在某一瞬间，超声场可近似看成是静止的，因而对衍射光的分布没影响）。对驻波超声场则完全是不动的。当平面波以i入射至声波场，在B、C、E各点处部分反射，产生衍射光。各衍射光相干增强的条件是它们之间的光程差应为其波长的整数倍，或者说必须同相位。图2表示在同一镜面上的衍射情况，入射光在B、C点的反射光同相位的条件必须使光程差AC-BD等于光波波长的整数倍，即 (1)图2 入射光束在镜面上发生衍射要使声波面上所有点同时满足这以条件，只有使 (2)即入射角等于衍射角才能实现。对于相距s的两个不同的镜面上的衍射情况，由上下面反射的反

6、射光具有同相位的条件，其光程差FE+EG必须等于光波波长的整数倍，即 (3)考虑到，所以 或 (4)式中，i=d=B，B称为布拉格角。可见，只有入射角等于布拉格角B时，在声波面上的光波才具有同相位，满足相干加强的条件，得到衍射极值，上式称为布拉格方程。由于发生布拉格声光衍射时，声光相互作用长度较大，属于体光栅情况。理论分析表明，在声波场的作用下入射光和衍射光之间存在如下关系 (5)式中Ei和Ej分别为入射和衍射光场，这为我们描述两个光场的能量转换效率提供了方便。定义：在作用距离L处衍射光强和入射光强之比为声光衍射效率，即 (6)由于，注意到。因此，(6)式可写为 (7)式中是传播距离L后位相改

7、变量。引入有效弹光系数pe和有效应变Se， (8)其中有效应变Se同声波场强度Is的关系是 (9)式中是声速，是介质密度。于是(2.29)式写成 (10)或 (11)式中，是声光介质的物理参数组合，是由介质本身性质决定的量，称为声光材料的品质因数(或声光优质指标)，它是选择声光介质的主要指标之一。从(4)式可见：(a)若在超声功率Ps一定的情况下，欲使衍射光强尽量大，则要求选择M2大的材料，并且，把换能器做成长面较窄（即L大H小）的形式；(b)如果超声功率足够大，使达到时，100%(c)当改变时，也随之改变，因而通过控制Ps(即控制加在电声换能器上的电功率)就可以达到控制衍射光强的目的，实现声

8、光调制。【声光调制系统的设计】声光调制系统设计的目的：设计出一整套完整的实验系统，尽量减小其危险性，便于操作，通过本实验可以加深学生对“激光器件与技术”这门课中的声光调制这一部分内容的理解，培养同学自我动手的能力，提高同学理论与实践相结合的综合水平。1. 光源的选择本实验系统采用的是半导体激光器650nm的红光，它具有激光的一切优点，例如相干性好，发散角小，便于在空间传输等优点。除此之外，与He-Ne激光器相比，它精小简携，易于调整。2. 声光晶体的选择很多材料都可以做声光材料使用，例如熔石英、钼酸铅、超重火石玻璃等。这样我们就需要根据实际应用的要求进行选择，以下简述一下对本实验系统应完成的布

9、拉格衍射所需要的晶体的选择。通常评价声光材料性能优劣的品质因数有三个：表征材料的调制效率。,为调制效率，故越大，所需声功率则越小。：评价材料的布拉格带宽的品质因数。显然当光波和声波波长变化时，都将引起布拉格角B的变化，从而降低衍射效率。对布拉格衍射，定义一级衍射光强下降到名义声波s的衍射光强的一半时，声频变化量s为布拉格带宽：，所以。引入一个新的物理量，使，越大，由此材料制成的调制器调制带宽越宽。M3：这是表征材料声速大小的一个品质因数。当声光器件作声光偏转用时，要求材料的声速要小，因而引入M3=M1/Vs=n7p2/Vs2。综上所述，对声光材料的上述要求某些是矛盾的，必须视具体问题综合考虑各

10、因数，以确定适当的声光材料。对于布拉格衍射，我们需要M1，M2，M3均越大越好的声光材料，同时兼顾价钱等因素，我们的实验系统采取了钼酸铅晶体，它的各项品质因数为M1，M2=23.7，M3=24.9。3.导轨的使用 导轨采用燕尾形设计，容易中心定位，稳定性好，同时滑座可进行精确调节或锁紧。因此，便于操作。4. 旋转平台的使用将声光晶体固定在旋转平台上，平台上有水平调节螺栓和角度调节螺栓，利用水平调节螺栓可以任意调整声光晶体的位置，待声光晶体位置大致确定以后，锁紧水平调节螺栓，然后旋转角度调节螺栓（5精确调节），就可以改变光强在各级光斑上的分布。5. 电源箱的使用设计的电源箱前面板如下图3.1所示

11、： 图3.1 前面板(1)激光器电源开关 空；(2)4位表头 按通时，显示直流电压；(3)直流电压调节 用以调节声光调制器的超声信号功率；(4)声光电压开关 控制是否叠加直流信号；(5)信号选择 内信外信选择，选择内部信号或者外部信号；(6)正弦音频 内信状态下，切换是正弦信号还是音频信号；(7)信号输出 超声输入调制信号，由它正上方幅度调节旋钮调整幅度大小；(8)探测器输出及交流放大部分： 直流调节调整直流输出幅度大小，交流调节调整探测器经交流放大后的测试点；开关切换音频或交流解调输出。设计的电源箱后面板如下图3.2所示：图3.2 后面板(1)电源输入 标准三芯电源插座，用以连接220V交流

12、电，插座上方有保护电源用的熔丝。(2)电源开关 打开或切断信号源供电。 (3)外号输入 直接送有源扬声器发声的输出插座。(4)传感器 与光电接收器连接的接口插座。(5)调制信号输出 输出超声功率至声光调制器的插座。【实验及其结果分析】一、实验装置图本实验系统是由半导体激光电源、声光盒、光阑、接收放大器以及声光调制信号源组成。图4.1实验装置原理图二、光路的调节(1) 在光具座的滑座上放置好激光器和光电接收器，并安装好声光调制器的载物台；(2) 按系统连接方法将激光器、声光调制器、光电接收器等组件连接到声光调制电源箱；(3) 光路准直：打开电源开关，接通激光电源。用光阑来调整光路，先将半导体激光

13、器放置在导轨零点处锁定，把光阑拉到激光器附近，再由近及远，观察激光光斑打在光阑上的位置，调整激光器调整架的前后两个螺丝，使激光光斑打在由近及远光阑上的位置保持一致，反复调节，使得一定距离内激光束是平行光；(4) 将声光调制器的通光孔置于载物平台的中心位置，调整好高度，使得激光束刚好通过通光孔；(5) 调整光电探测器的高度，使得激光束落在光电传感器中心。三、 实验内容与要求我们设计的这套声光调制实验系统可以完成下列实验：1、观察并记录声光调制的衍射现象调节激光束的亮度，使在相屏中心有明晰的光点呈现，此即为声光调制的0级光斑； 打开声光调制电压，此时以80MHz为中心频率的超声波开始对声光晶体进行

14、调制； 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束入射角，即可出现因声光调制而出现的衍射光斑； 仔细调节光束对声光调制器的角度，当+1级（或者1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。注：布拉格衍射一级衍射达到极值的条件是：1)控制电压为一特定的值；2)入射激光必须以特定的角度布拉格角入射。2、观察并记录交流信号调制特性打开信号发生器，输入交流的正弦波信号。加法器把直流偏压和信号发生器的交流电压叠加在一起输出到线性声光调制器上，在示波器上可看到被调制的半导体激光的正弦波，测出示波器上信号波的相对幅度。改变直流偏压的大小或增加信号发生器的信号强度，观察输出波形的调

15、制特性。下失真波形 上失真波形不失真波形 3、观察并记录声光调制与光通讯实验现象在驱动源输入端加入外调制信号（如音频信号、文字和图像等），则衍射光强将随次信号变化，从而达到控制激光输出特性的目的，实现模拟光通信和图像处理。2.3v时的不失真音频信号 4v时的失真音频信号4、计算声光调制偏转角微调载物平台上声光调制器的转向，仔细调节光束对声光调制器的角度，当+1级（或者1级）衍射光最强时，分别记录载物台的角度和 ，即可求出声光调制的偏转角： 5、计算超声波的波速 将超声波频率F，偏转角与激光波长代入，其中F=80MHz，即可求得超声波在声光晶体中的波速Vs。四、注意事项1、调节过程中必须避免激光直射人眼，以免对眼睛造成危害。2、供电电源应提供保护地线，示波器的地线需与系统良好连接。3、为防止强激光束长时间照射而导致光敏管疲劳或损坏，调节使用后需要随即用塑盖将光电接收孔盖好。4、技术指标：(1)声光调制器 声光介质：钼酸铅晶体 换能器介质：铌酸锂晶体 通光口径：1mm 中心频率：80MHz 衍射效率： 70%(2)激光光源 半导体激光电源(3)激光波长 650nm(4)光功率输出 5mW(5)交流电源 AC220v 50Hz(6)环境温度 04010