聲光調(diào)制實(shí)驗(yàn)裝置

1、一、 硬件組成一套完整的聲光效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀配有：已安裝在轉(zhuǎn)角平臺(tái)上的100MHz聲光器件、半導(dǎo)體激光器、100MHz功率信號(hào)源、LM601 CCD光強(qiáng)分布測(cè)量?jī)x及光具座。每個(gè)器件都帶有ø10的立桿，可以安插在通用光具座上。在終端，如果用示波器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，則構(gòu)成了示波器型SO2000；如果用計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，則構(gòu)成了微機(jī)型SO2000（微機(jī)型SO2000還需配備USB100數(shù)據(jù)采集盒及工作軟件）。1 聲光器件(聲速V = 3632m/s,介質(zhì)折射率n = 2.386)吸聲材料聲光介質(zhì)壓電換能器圖1：聲光器件的結(jié)構(gòu)聲波前進(jìn)方向光波前進(jìn)方向轉(zhuǎn)角平臺(tái)旋轉(zhuǎn)手輪轉(zhuǎn)角平臺(tái)聲光器件聲光器件的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1

2、所示。它由聲光介質(zhì)、壓電換能器和吸聲材料組成。圖2：轉(zhuǎn)角平臺(tái)本實(shí)驗(yàn)采用的聲光器件中的聲光介質(zhì)為鉬酸鉛，吸聲材料的作用是吸收通過(guò)介質(zhì)傳播到端面的超聲波以建立超聲行波。將介質(zhì)的端面磨成斜面或成牛角狀，也可達(dá)到吸聲的作用。壓電換能器又稱超聲發(fā)生器，由妮酸鋰晶體或其它壓電材料制成。它的作用是將電功率換成聲功率，并在聲光介質(zhì)中建立起超聲場(chǎng)。壓電換能器既是一個(gè)機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)，又是一個(gè)與功率信號(hào)源相聯(lián)系的電振動(dòng)系統(tǒng)，或者說(shuō)是功率信號(hào)源的負(fù)載。為了獲得最佳的電聲能量轉(zhuǎn)換效率，換能器的阻抗與信號(hào)源內(nèi)阻應(yīng)當(dāng)匹配。聲光器件有一個(gè)衍射效率最大的工作頻率，此頻率稱為聲光器件的中心頻率，記為。對(duì)于其它頻率的超聲波，其衍射效

3、率將降低。規(guī)定衍射效率（或衍射光的相對(duì)光強(qiáng)）下降3db（即衍射效率降到最大值的1/）時(shí)兩頻率間的間隔為聲光器件的帶寬。聲光器件安裝在一個(gè)透明塑料盒內(nèi)，置于轉(zhuǎn)角平臺(tái)上，見圖2。盒上有一插座，用于和功率信號(hào)源的聲光插座相連。透明塑料盒兩端各開一個(gè)小孔，激光分別從這兩個(gè)孔射入和射出聲光器件，不用時(shí)用貼紙封住以保護(hù)聲光器件。旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)角平臺(tái)的旋轉(zhuǎn)手輪可以轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)角平臺(tái)，從而改變激光射入聲光器件的角度。2 功率信號(hào)源SO2000功率信號(hào)源專為聲光效應(yīng)實(shí)驗(yàn)配套，輸出頻率范圍為80120MHz,最大輸出功率1W。面板上的各輸入/輸出信號(hào)和表頭含義如下：等幅/調(diào)幅：做基本的聲光衍射實(shí)驗(yàn)時(shí)，要打在“等幅”位置，否則信

4、號(hào)源無(wú)輸出；做模擬通信實(shí)驗(yàn)時(shí)，要打在“調(diào)幅”位置。調(diào)制：輸入信號(hào)插座。等幅/調(diào)幅開關(guān)處于“調(diào)幅”位置時(shí)，此位置接上“模擬通信發(fā)送器”，從“調(diào)制”端口輸入一個(gè)TTL電平的數(shù)字信號(hào)，就可以對(duì)聲功率進(jìn)行幅度調(diào)制,頻率范圍020KHz。調(diào)制波的解調(diào)可用光電池加放大電路組成的“光電池盒”來(lái)實(shí)現(xiàn)。具體方法是，移去CCD光強(qiáng)分布測(cè)量?jī)x，安置上“光電池盒”，“光電池盒”再與“模擬通信接收器”相連。將1級(jí)衍射光對(duì)準(zhǔn)“光電池盒”上的小孔，適當(dāng)調(diào)節(jié)半導(dǎo)體激光器的功率，就可以用喇叭或示波器還原調(diào)制波的信號(hào)，進(jìn)行模擬通信實(shí)驗(yàn)。模擬通信收發(fā)器的介紹見下文。聲光：輸出信號(hào)插座。用于連接聲光器件，將功率信號(hào)源的電信號(hào)傳入聲光

5、器件，經(jīng)壓電換能器轉(zhuǎn)換為聲波后注入聲光介質(zhì)。測(cè)頻：輸出信號(hào)插座。接頻率計(jì)，用于測(cè)量功率信號(hào)源輸出信號(hào)的頻率。頻率旋鈕：用于改變功率信號(hào)源的輸出信號(hào)的頻率，可調(diào)范圍80120MHz。逆時(shí)針到底是80MHz，順時(shí)針到底是120MHz。功率旋鈕：用于調(diào)節(jié)功率信號(hào)源的輸出功率，逆時(shí)針減小，順時(shí)針變大。面板上的毫安表讀數(shù)作功率指示用，讀數(shù)值×10約等于功率毫瓦數(shù)。*使用時(shí)，為保證聲光器件的安全，不要長(zhǎng)時(shí)間處于功率最大位置！3CCD光強(qiáng)分布測(cè)量?jī)x：其核心是線陣CCD器件。CCD器件是一種可以電掃描的光電二極管列陣，有面陣（二維）和線陣（一維）之分。LM601/501 CCD光強(qiáng)儀所用的是線陣CC

6、D器件，性能參數(shù)如下表。LM601/501 CCD光強(qiáng)儀機(jī)殼尺寸為150mm×100mm×50mm，CCD器件的光敏面至光強(qiáng)儀前面板距離為4.5mm。型號(hào)光敏元素光敏元尺寸光敏元中心距光譜響應(yīng)范圍光譜響應(yīng)峰值LM601S2700個(gè)11×11m11m0.30.9m0.56mLM6012592個(gè)11×11m11m0.30.9m0.56mLM5012048個(gè)14×14m14m0.20.9m0.56mLM601/501CCD光強(qiáng)儀后面板各插孔標(biāo)記含義如下，其輸出波形見圖3：“同步”：Q9頭，示波器型用。啟動(dòng)CCD器件掃描的觸發(fā)脈沖，主要供示波器觸發(fā)用。

7、“同步”的含意是“同步掃描”，與示波器的觸發(fā)端口相連?！靶盘?hào)”：Q9頭，示波器型用。CCD器件接受的空間光強(qiáng)分布信號(hào)的模擬電壓輸出端，與示波器的某一路信號(hào)端口相連。DB9插頭：微機(jī)型用，連至USB100計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集盒。4USB100計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集盒：用USB接口與計(jì)算機(jī)相連，同時(shí)以DB15插座通過(guò)電纜線LM601/501 CCD光強(qiáng)儀后面板上的DB9插座相連。采集盒上有一個(gè)12位的A/D轉(zhuǎn)換器，也就是說(shuō)可以把CCD器件上每一個(gè)光敏單元上的光強(qiáng)信號(hào)分成4096個(gè)灰度等級(jí)?？臻g分辨率與所使用的CCD光強(qiáng)儀的型號(hào)有關(guān)，在11m14m 之間。采集盒對(duì)計(jì)算機(jī)要求不高，586最小配置，有USB接口就可以

8、了。相應(yīng)的工作軟件在另文中介紹。20ms0v5v信號(hào)信號(hào)光強(qiáng)環(huán)境光強(qiáng)401 : 1024×14m501 : 2048×14m601 : 2592×11m801 : 5360×7m5v0信號(hào)光強(qiáng)（掃描基線）采樣同步圖3： LM601 CCD光強(qiáng)儀波形圖fl - fH聲光偏轉(zhuǎn)測(cè)量0級(jí) 1級(jí)f聲光調(diào)制測(cè)量0級(jí) 1級(jí) 2級(jí)IPaI1I0I2圖4：示波器上的實(shí)驗(yàn)波形及描繪出的曲線二、安裝和使用SO2000聲光效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀可完成基本聲光效應(yīng)實(shí)驗(yàn)和在此基礎(chǔ)上的聲光模擬通信實(shí)驗(yàn)，這兩種實(shí)驗(yàn)的安裝、連線分別介紹如下。2-1 聲光效應(yīng)實(shí)驗(yàn)信號(hào)同步聲光功率信號(hào)源激光器轉(zhuǎn)角平臺(tái)光

9、強(qiáng)分布測(cè)量?jī)xYX示波器頻率計(jì)聲光功率信號(hào)源激光器轉(zhuǎn)角平臺(tái)光強(qiáng)分布測(cè)量?jī)x頻率計(jì)USB采集盒接計(jì)算機(jī)圖5：聲光效應(yīng)實(shí)驗(yàn)安裝圖（上為示波器型，下為微機(jī)型）安裝圖如圖5所示。本實(shí)驗(yàn)中需用到下列電線或電纜：1 光強(qiáng)分布測(cè)量?jī)x到示波器：同型號(hào)2根，每根均為雙Q9插頭。這兩根線中，一根連接光強(qiáng)分布測(cè)量?jī)x的“信號(hào)”和示波器的測(cè)量輸入通道，另一根連接光強(qiáng)分布測(cè)量?jī)x的“同步”和示波器的外觸發(fā)同步通道。2 光強(qiáng)分布測(cè)量?jī)x到USB100采集盒（微機(jī)）：1根，兩端是DB15（15芯）和DB9（9芯）插頭。用它連接USB采集盒和CCD光強(qiáng)儀，再用USB線將USB采集盒與計(jì)算機(jī)相連；3 功率信號(hào)源到轉(zhuǎn)角平臺(tái)上的聲光器件：1

10、根。其一頭為Q9插頭，連接聲光器件，一頭為蓮花插頭，連接功率信號(hào)源的“聲光”插座，此時(shí)，功率信號(hào)源要打在“等幅”上；當(dāng)使用模擬通信收發(fā)器時(shí)，要打在“調(diào)幅”上。使用過(guò)程如下：1完成安裝后，開啟除功率信號(hào)源之外的各部件的電源；2仔細(xì)調(diào)節(jié)光路，使半導(dǎo)體激光器射出的光束準(zhǔn)確地由聲光器件外塑料盒的小孔射入、穿過(guò)聲光介質(zhì)、由另一端的小孔射出，照射到CCD采集窗口上，這時(shí)衍射尚未產(chǎn)生（聲光器件盡量靠近激光器）； 3用示波器測(cè)量時(shí)，將光強(qiáng)儀的“信號(hào)”插孔接至示波器的Y軸，電壓檔置0.11V/格檔，掃描頻率一般置2ms/格檔；光強(qiáng)儀的“同步”插孔接至示波器的外觸發(fā)端口，極性為“+”。適當(dāng)調(diào)節(jié)“觸發(fā)電平”，在示波

11、器上可以看到一個(gè)穩(wěn)定的類似圖4所示的單峰波形；用計(jì)算機(jī)測(cè)量時(shí)，連接USB采集盒和CCD光強(qiáng)儀，再用USB線將USB采集盒與計(jì)算機(jī)相連。啟動(dòng)工作軟件即可采集、處理實(shí)驗(yàn)波形和數(shù)據(jù)；4如在示波器頂端只有一直線而看不到波形，這是CCD器件已飽和所致?？稍囍鴾p弱環(huán)境光強(qiáng)、減小激光器的輸出功率，問題就可得以解決；5如果在示波器上看到的波形不怎么光滑，有“毛刺”，大多CCD采光窗上落有灰塵?？赏ㄟ^(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)活動(dòng)馬鞍座側(cè)面的旋鈕來(lái)移動(dòng)CCD光強(qiáng)分布測(cè)量?jī)x或改變光束的照射位置來(lái)解決這個(gè)問題；6得到滿意的波形后，打開功率信號(hào)源的電源；7微調(diào)轉(zhuǎn)角平臺(tái)旋鈕，改變激光束的入射角，可獲得布喇格衍射或喇曼-納斯衍射。本實(shí)驗(yàn)的聲光

12、器件是為布喇格衍射條件設(shè)計(jì)制造的，并不滿足喇曼-納斯衍射條件。如有條件，最好另配一套中心頻率為10MHz左右的聲光器件和功率信號(hào)源，專門研究喇曼-納斯衍射。這里為降低成本，本實(shí)驗(yàn)只對(duì)喇曼-納斯衍射作定性觀察；8實(shí)際調(diào)節(jié)時(shí)，可在 CCD采集窗口前置一白紙，在紙上看到正確的圖形后再讓它射入采集窗口；9在布喇格衍射條件下，將功率信號(hào)源的功率旋鈕置于中間值，固定，旋轉(zhuǎn)頻率旋鈕而改變信號(hào)頻率，0級(jí)光與1級(jí)光之間的衍射角隨信號(hào)頻率的變化而變化。這是聲光偏轉(zhuǎn)；10在布喇格衍射條件下，固定頻率旋鈕，旋轉(zhuǎn)功率旋鈕而改變信號(hào)的強(qiáng)度，0級(jí)光與1級(jí)光的強(qiáng)度分布也隨之而變，這是聲光調(diào)制；布喇格衍射的示波器實(shí)例如圖6所示

13、；11為了獲得理想波形，有時(shí)須反復(fù)調(diào)節(jié)激光束、聲光器件、CCD光強(qiáng)分布測(cè)量?jī)x等之間的幾何關(guān)系與激光器的功率；圖6：布喇格衍射的0級(jí)光和1級(jí)光(示波器和微機(jī)型)2-2 聲光模擬通信實(shí)驗(yàn)聲光功率信號(hào)源激光器轉(zhuǎn)角平臺(tái)YX示波器圖7：模擬通信實(shí)驗(yàn)安裝圖光電池盒模擬通信接收器模擬通信發(fā)送器安裝圖如圖7所示。本實(shí)驗(yàn)中需用到下列電線或電纜：1 功率信號(hào)源和轉(zhuǎn)角平臺(tái)上的聲光器件：1根。其一頭為Q9插頭，連接聲光器件，一頭為蓮花插頭，連接功率信號(hào)源的“聲光”插座，此時(shí)，功率信號(hào)源要打在“調(diào)幅”上。當(dāng)做聲光效應(yīng)實(shí)驗(yàn)時(shí)，要打在“等幅”上；2 功率信號(hào)源和模擬通信發(fā)送器：1根。其一頭為Q9插頭，接模擬通信發(fā)送器的調(diào)制插孔，另一頭為Q9插頭，連接功率信號(hào)源的調(diào)制插座；3 模擬通信發(fā)送器和示波器：1根。其一頭為Q9插頭，接模擬通信發(fā)送器的示波器插座，另一頭為Q9插頭，接示波器的Y1和以Y1為同步（Y1置1v/格檔）；4 模擬通信接收器和光電池盒：由光電池盒引出一個(gè)蓮花插頭，接模擬通信接收器的光電池插座；5 模擬通信接收器和示波器：1根。其一頭為Q9插頭，接模擬通信接收器的示波器插座，一頭為Q9插頭，接示波器的Y2輸入信號(hào)端口（Y2置0.1v 0.5v/格檔）；使用過(guò)程如下：1 完成安裝后，開啟各部件的電源；