試驗(yàn)一聲光調(diào)制試驗(yàn)

1、實(shí)驗(yàn)一 聲光調(diào)制實(shí)驗(yàn)早在本世紀(jì)30年代就開始了聲光衍射的實(shí)驗(yàn)研究。60年代激光器的問世為聲光衍射現(xiàn) 象的研究提供了良好的光源，促進(jìn)了聲光效應(yīng)理論和應(yīng)用研究的迅速發(fā)展。聲光效應(yīng)為控制 激光束的頻率、方向和強(qiáng)度提供了一個(gè)有效的手段。利用聲光效應(yīng)制成的聲光器件，如聲光 調(diào)制器、聲光偏轉(zhuǎn)器和可調(diào)諧濾光器等，在激光技術(shù)、光信號處理和集成光通訊技術(shù)等方面 有著重要應(yīng)用。聲光效應(yīng)已廣泛應(yīng)用于聲學(xué)、光學(xué)和光電子學(xué)。近年來，隨著聲光技術(shù)的不 斷發(fā)展，人們已廣泛地開始采用聲光器件在激光腔內(nèi)進(jìn)行鎖膜或作為連續(xù)器件的Q開關(guān)。由 于聲光器件具有輸入電壓低驅(qū)動(dòng)功率小、溫度穩(wěn)定性好、能承受較大光功率、光學(xué)系統(tǒng)簡單、 響應(yīng)時(shí)

2、間快、控制方便等優(yōu)點(diǎn)，加之新一代的優(yōu)質(zhì)聲光材料的發(fā)現(xiàn)，使聲光器件具有良好的 發(fā)展前景，它將不斷地滿足工業(yè)、科學(xué)、軍事等方面的需求。一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、掌握聲光調(diào)制的基本原理。2、了解聲光器件的工作原理。3、了解布拉格聲光衍射和拉曼奈斯聲光衍射的區(qū)別。4、觀察布拉格聲光衍射現(xiàn)象。二、實(shí)驗(yàn)原理(一)聲光調(diào)制的物理基礎(chǔ)1、彈光效應(yīng)若有一超聲波通過某種均勻介質(zhì)，介質(zhì)材料在外力作用下發(fā)生形變，分子間因相互作用 力發(fā)生改變而產(chǎn)生相對位移，將引起介質(zhì)內(nèi)部密度的起伏或周期性變化，密度大的地方折射 率大，密度小的地方折射率小，即介質(zhì)折射率發(fā)生周期性改變。這種由于外力作用而引起折 射率變化的現(xiàn)象稱為彈光效應(yīng)。彈光效應(yīng)

3、存在于一切物質(zhì)。2、聲光柵當(dāng)聲波通過介質(zhì)傳播時(shí)，介質(zhì)就會(huì)產(chǎn)生和聲波信號相應(yīng)的、隨時(shí)間和空間周期性變化 的相位。這部分受擾動(dòng)的介質(zhì)等效為一個(gè)“相位光柵”。其光柵常數(shù)就是聲波波長入，這種s光柵稱為超聲光柵。聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，有行波和駐波兩種形式。特點(diǎn)是行波形成的超 聲光柵的柵面在空間是移動(dòng)的，而駐波場形成的超聲光柵柵面是駐立不動(dòng)的。當(dāng)超聲波傳播到聲光晶體時(shí)，它由一端傳向另一端。到達(dá)另一端時(shí)，如果遇到吸聲物 質(zhì)，超聲波將被吸聲物質(zhì)吸收，而在聲光晶體中形成行波。由于機(jī)械波的壓縮和伸長作用， 則在聲光晶體中形成行波式的疏密相間的構(gòu)造，也就是行波形式的光柵。當(dāng)超聲波傳播到聲光晶體時(shí)，它由一端傳向另一端。

4、如果遇見反聲物質(zhì)，超聲波將被反 聲物質(zhì)反射，在返回途中和入射波疊加而在聲光晶體中形成駐波。由于機(jī)械波壓縮伸長作用， 在聲光晶體中形成駐波形式的疏密相同的構(gòu)造，也就是駐波形式的光柵。首先考慮行波的情況，設(shè)平面縱聲波在介質(zhì)中沿x方向傳播，聲波擾動(dòng)介質(zhì)中的質(zhì)點(diǎn)位 移可寫成u = u cos (o st - k x)(1)出是質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的振幅，q是聲波頻率，ks是聲波波矢量的模。相應(yīng)的應(yīng)變場是S = - u- = u k sin( st - ks x)(2)對各向同性介質(zhì)，折射率分布為 TOC o 1-5 h z n(x,t)= n + Ansin(o t - k x)(3)聲行波在某一瞬間是對介質(zhì)的作

5、用情況如圖1所示。圖中密集區(qū)(黑)表示介質(zhì)受到壓 縮，密度增大，相應(yīng)的折射率也增大；稀疏區(qū)(白)表示介質(zhì)密度變小，折射率減小。介質(zhì)u - 2u cos(k x)sin st)(4)而介質(zhì)折射率為nQ,t)= n + Ansin(k x)sinst)(5)圖2 聲駐波形成的超聲光柵因駐波效應(yīng)(5)式中的An應(yīng)是(3)式的2倍。圖2給出了聲駐波情況下介質(zhì)折射率的變化 情況，其中在圖中的曲線t+T/4和t+3T/4表示左、右行波。從圖中可見，聲波在一個(gè)周期 ssT之內(nèi)，介質(zhì)呈現(xiàn)兩層疏密層結(jié)構(gòu)，在波節(jié)處介質(zhì)密度保持不變，因而在波腹處折射率每隔 s半個(gè)周期T/2就變化一次。這樣，作為超聲光柵，它將交替出

6、現(xiàn)和消失，其交替變化的頻 s率為原駐波周期的二倍，即2*。3、聲光效應(yīng)聲光效應(yīng)是指光波在介質(zhì)中傳播時(shí)，被超聲波場衍射或散射的現(xiàn)象。由于聲波是一種 彈性波，聲波在介質(zhì)中傳播會(huì)產(chǎn)生彈性應(yīng)力或應(yīng)變，這種現(xiàn)象稱為彈光效應(yīng)。介質(zhì)彈性形 變導(dǎo)致介質(zhì)密度交替變化，從而引起介質(zhì)折射率的周期變化，并形成折射率光柵。當(dāng)光波 在介質(zhì)中傳播時(shí)，就會(huì)發(fā)生衍射現(xiàn)象，衍射光的強(qiáng)度、頻率和方向等將隨著超生場的變化 而變化。聲光調(diào)制就是基于這種效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)其光調(diào)制及光偏轉(zhuǎn)的。4、聲光衍射分類根據(jù)聲波頻率的高低和聲光作用的超聲場長度的大小的不同，聲光效應(yīng)可以分為拉曼 奈斯聲光(Ram-Nath)衍射和布拉格(Bragg)衍射兩種。

7、(1)區(qū)分拉曼奈斯衍射和布拉格衍射的定量標(biāo)準(zhǔn)：從理論上說，拉曼奈斯衍射和布拉格衍射是在改變聲光衍射參數(shù)時(shí)出現(xiàn)的兩種極端 情況。影響出現(xiàn)兩種衍射情況的主要參數(shù)是聲波長Q、光束入射角。1及聲光作用距離L。 為了給出區(qū)分兩種衍射的定量標(biāo)準(zhǔn)，特引入?yún)?shù)G來表征G = k.2L / k cos 9= 2兀九L / 九2 cos 9.(6)當(dāng)L小且人大(G1)時(shí)，為布拉格衍 射。為了尋求一個(gè)實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)，即當(dāng)G參數(shù)大到一定值后，除0級和+1級外，其他各級衍射 光的強(qiáng)度都很小，可以忽略不計(jì)。達(dá)到這種情況時(shí)即認(rèn)為已進(jìn)入布拉格衍射區(qū)。經(jīng)過多年 的實(shí)踐，現(xiàn)已普遍采用下列定量標(biāo)準(zhǔn)：GN4n時(shí)為布拉格衍射區(qū)Gn時(shí)為拉曼奈

8、斯衍射區(qū)為便于應(yīng)用，又引入量L0=%cos4爪汽2爪，則G=2nL/L0。因此，上面的定量標(biāo)準(zhǔn)可以 寫成： (a) LN2L0 為布拉格衍射區(qū)(b) LWLJ2為拉曼奈斯衍射區(qū)式中，L0稱為聲光器件的特征長度。引入了參數(shù)L0可使器件的設(shè)計(jì)十分簡便。由于 仁vs和&%/n,故L0不僅與介質(zhì)的性質(zhì)(vs和n)有關(guān)，而且與工作條件(/s和)有 關(guān)。事實(shí)上，L0反映了聲光互作用的主要特征。產(chǎn)生條件上的區(qū)別：表1拉曼-奈斯衍射和布拉格衍射產(chǎn)生條件上的區(qū)別拉曼-奈斯衍射布拉格衍射聲光作用長度較短聲光作用長度較長超聲波的頻率較低超聲波的頻率較高光波垂直于聲場傳播的方向光束與聲波波面間以一定的角度斜入射此時(shí)的

9、聲光晶體相當(dāng)于一個(gè)“平面光柵”此時(shí)的聲光晶體相當(dāng)于一個(gè)“立體光柵”現(xiàn)象上的區(qū)別:(1) 拉曼-奈斯聲光衍射拉曼-奈斯聲光衍射的結(jié)果，使光波在原場分成一組衍射光，它們分別對應(yīng)于確定的衍 射角% （即傳播方向）和衍射強(qiáng)度，這一組光是離散型的。各級衍射光對稱的分布在零級 衍射光兩側(cè)，且同級次衍射光的強(qiáng)度相等。這是拉曼-奈斯衍射的主要特征之一。另外，無 吸收時(shí)衍射光各級極值光強(qiáng)之和等于入射光強(qiáng)，即光功率是守恒的。（2）布拉格聲光衍射如果聲波頻率較高，且聲光作用長度較大，此時(shí)的聲擾動(dòng)介質(zhì)也不再等效于平面位相 光柵，而形成了立體位相光柵。這時(shí)，相對聲波方向以一定角度入射的光波，其衍射光在 介質(zhì)內(nèi)相互干涉，

10、使高級衍射光相互抵消，只出現(xiàn)0級和 1級的衍射光，簡言之，我們在 屏上觀察到的是0級光斑和+1級光非常亮或者0級光斑和-1級光很亮，而其它各級的光強(qiáng) 卻非常弱。（二）聲光調(diào)制原理1、聲光調(diào)制器的組成聲光調(diào)制其實(shí)由聲光介質(zhì)、電-聲換能器、吸聲（或反射）裝置、耦合介質(zhì)及驅(qū)動(dòng)電源 等所組成。如圖3所示：圖3聲光調(diào)制器（1）聲光介質(zhì) 聲光介質(zhì)是聲光互作用的場所。當(dāng)一束光通過變化的超聲場時(shí)，由于光 和超聲場的作用，其出射光就具有隨時(shí)間變化的各級衍射光，利用衍射光的強(qiáng)度隨超聲波 強(qiáng)度的變化而變化的性質(zhì)，就可以制成光強(qiáng)度調(diào)制器。（2）電-聲換能器（又稱超聲發(fā)生器） 它是利用某些壓電晶體（石英、LiNbO3等

11、）或 壓電半導(dǎo)體（CdS，ZnO等）的反壓電效應(yīng)，在外加電場作用下產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)而形成超聲波， 所以它起著將電功率轉(zhuǎn)換成聲功率的作用。（3）吸聲（或反射）裝置 它放置在超聲元的對面，用以吸收已通過介質(zhì)的聲波（工作 于行波狀態(tài)），以免返回介質(zhì)產(chǎn)生干擾，但要使超聲場工作在駐波狀態(tài)，則需要將吸聲裝置 換成聲反射裝置。（4）驅(qū)動(dòng)電源 它用以產(chǎn)生調(diào)制電信號施加于電-聲換能器的兩端電極上，驅(qū)動(dòng)聲光調(diào)制 器（換能器）工作。（5）耦合介質(zhì) 為了能較小損耗地將超聲能量傳遞到聲光介質(zhì)中去，換能器的聲阻抗應(yīng) 該盡量接近介質(zhì)的聲阻抗，這樣可以減小兩者接觸界面的反射損耗。實(shí)際上，調(diào)制器都是 在兩者之間加一過渡層耦合介質(zhì)，

12、它起三個(gè)作用：低損耗傳能，粘結(jié)和電極的作用。聲光調(diào)制是利用聲光效應(yīng)將信息加載于光頻載波上的一種物理過程。調(diào)制信號是以電 信號（調(diào)幅）形式作用于電聲換能器上而轉(zhuǎn)化為以電信號形式變化的超聲場，當(dāng)光波通過 聲光介質(zhì)時(shí)，由于聲光作用，使光載波受到調(diào)制而成為“攜帶”信息的強(qiáng)度調(diào)制波。2、布拉格聲光調(diào)制如果聲波頻率較高，且聲光作用長度較大，而且光束與聲波波面間以一定的角度斜入 射時(shí)，光波在介質(zhì)中要穿過多個(gè)聲波面，故介質(zhì)具有“體光柵”的性質(zhì)。當(dāng)入射光與聲波 面間夾角滿足一定條件時(shí)，介質(zhì)內(nèi)各級衍射光將互相抵消，只出現(xiàn)0級和土 1級衍射光，即 產(chǎn)生布拉格聲光衍射，如圖4所示。因此，若能合理選擇參數(shù)，超聲場足夠強(qiáng)

13、，可使入射 光能量幾乎全部轉(zhuǎn)移到+1級和-1級衍射極值上。因而光束能量可以得到充分利用，因此， 利用布拉格衍射效應(yīng)制成的聲光器件可以獲得較高的效率。聲波A入射光非 衍 射 光衍射光3 1+3圖4布拉格聲光衍射下面從波的干涉加強(qiáng)條件來推導(dǎo)布拉格方程。為此，可把聲波通過的介質(zhì)近似看作許多 相距4的部分反射、部分透射的鏡面。對于行波場，這些鏡面將以速度vs沿x方向移動(dòng)(因 為3 m3 c所以在某一瞬間，超聲場可近似看成是靜止的，因而對衍射光的分布沒影響)。對 駐波超聲場則完全是不動(dòng)的。當(dāng)平面波以斗入射至聲波場，在B、C、E各點(diǎn)處部分反射，產(chǎn) 生衍射光。各衍射光相干增強(qiáng)的條件是它們之間的光程差應(yīng)為其波

14、長的整數(shù)倍，或者說必須 同相位。圖5表示在同一鏡面上的衍射情況，入射光在B、C點(diǎn)的反射光同相位的條件必須 使光程差A(yù)C-BD等于光波波長的整數(shù)倍，即 TOC o 1-5 h z . 九x(cos0 一cos0 ) = m(m = 0 1)(7) HYPERLINK l bookmark29 o Current Document idn人射光衍射張圖5入射光束在鏡面上發(fā)生衍射要使聲波面上所有點(diǎn)同時(shí)滿足這以條件，只有使(8)0i=0d即入射角等于衍射角才能實(shí)現(xiàn)。對于相距為的兩個(gè)不同的鏡面上的衍射情況，由上下面s反射的反射光具有同相位的條件，其光程差FE+EG必須等于光波波長的整數(shù)倍，即(9)考慮到

15、0i =0d,所以2 九 sin 0B式中，斗飛=%或 s i n0B2 n 九2 nvs-fss(10)0B稱為布拉格角?？梢?，只有入射角等于布拉格角0B時(shí)，在聲波面上的光波才具有同相位，滿足相干加強(qiáng)的條件，得到衍射極值，上式稱為布拉格方程。由于發(fā)生布拉格聲光衍射時(shí)，聲光相互作用長度較大，屬于體光柵情況。理論分析表明， 在聲波場的作用下入射光和衍射光之間存在如下關(guān)系E (r) = E (0)cos(k r)ijE (廠)= iE (0)sin(k r)(11)ij式中Ei和Ej分別為入射和衍射光場，這為我們描述兩個(gè)光場的能量轉(zhuǎn)換效率提供方便。 定義:在作用距離L處衍射光強(qiáng)和入射光強(qiáng)之比為聲光

16、衍射效率，即Ij(L)I= sin2 (kij L)(12)由于(1 A 一n2 ij)=p S 氏-A n，ijkl kl n 3 ij兀p S = -An )。2 入 ijkl kl 九 ij因此(12)式可寫為-兀 /A W./叩=sin2 (An ) L = sin2(ij)T(13)式中A。是傳播距離L后位相改變量。引入有效彈光系數(shù)p1 w Qe=n3p Sij 2 e e其中有效應(yīng)變S同聲波場強(qiáng)度I的關(guān)系是和有效應(yīng)變S(14)(15)lpv Js式中 ,是聲速，P是介質(zhì)密度。于是(13)式寫成- I 22tin= sin21 np2Pv3 Js=sin2目 L LMs (16)It

17、 = s i nIi兀 L mp M P 2X H 2 s(17)n6P2式中，M = M，是聲光介質(zhì)的物理參數(shù)組合，是由介質(zhì)本身性質(zhì)決定的量， 2 p V 32s稱為聲光材料的品質(zhì)因數(shù)(或聲光優(yōu)質(zhì)指標(biāo))，它是選擇聲光介質(zhì)的主要指標(biāo)之一。從(17)式 可見：(a)若在超聲功率Ps一定的情況下，欲使衍射光強(qiáng)盡量大，則要求選擇M2大的材料， 并且，把換能器做成長面較窄(即 L大H小)的形式；(b)如果超聲功率足夠大，使兀 L兀，IM=p達(dá)-M P達(dá)到一時(shí)，=100%(c)當(dāng)P改變時(shí)，?也隨之改變，因而通過控制PM2 21 H H 2 s 2sIsi控制加在電聲換能器上的電功率)就可以達(dá)到控制衍射光

18、強(qiáng)的目的，實(shí)現(xiàn)聲光調(diào)制。三、實(shí)驗(yàn)步驟_1調(diào)平底腳2.導(dǎo)軌33.滑座4.四維調(diào)整架5.半導(dǎo)體激光器6.聲光晶體盒7.旋轉(zhuǎn)平臺8.小孔光闌9.橫向滑座10.光電探測器-闡6系統(tǒng)裝置圖-P成。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是由半導(dǎo)體激光器、聲光盒、小孔光闌、光電探測器以及聲光調(diào)制電源箱組光路的調(diào)節(jié)：按系統(tǒng)連接方法將半導(dǎo)體激光器、聲光調(diào)制器、光電探測器等組件連接到聲光調(diào)制 電源箱上；在光具座上依次放置好半導(dǎo)體激光器、小孔光闌和光電探測器。同時(shí)固定小孔光闌 的高度(使小孔光闌上下左右均可移動(dòng)即可)；光路準(zhǔn)直：打開電源開關(guān)，接通激光電源，調(diào)節(jié)電源箱上的激光強(qiáng)度旋鈕，使激光 束到足夠強(qiáng)度。用小孔光闌來調(diào)整光路，先將半導(dǎo)體激光器

19、放置在導(dǎo)軌零點(diǎn)處鎖定，把小 孔光闌拉移到半導(dǎo)體激光器附近，調(diào)整四維調(diào)整架上的旋鈕，使激光束通過小孔，再把小孔 光闌移遠(yuǎn)一些，基本是聲光調(diào)制器放置的位置，再次通過旋轉(zhuǎn)四維調(diào)整架上的旋鈕，使激光 束通過小孔，反復(fù)調(diào)節(jié)，使得一定距離內(nèi)激光束是平行光；將聲光調(diào)制器放置于光具座上，載物平臺盡量靠近半導(dǎo)體激光器，調(diào)整好聲光調(diào)制器高度，使得激光束剛好通過通光孔；光電探測器固定在光具座尾端，調(diào)整光電探測器的高度，使得激光束落在光電探測 器中心或與探測器中心在同一水平線上；把小孔光闌放置于靠近傳感器的位置，重新調(diào)整好小孔光闌的高度，使得光束通過 小孔或與小孔在同一水平線上。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容（一）、觀察聲光調(diào)制的衍射

20、現(xiàn)象調(diào)節(jié)激光束的亮度，使在接收屏（即小孔光闌）上有清晰的光點(diǎn)呈現(xiàn)；打開聲光調(diào)制電壓至最大，此時(shí)以100MHz為中心頻率的超聲波開始對聲光晶體進(jìn)行調(diào) 制；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)制器的光束入射角，即可出現(xiàn)因聲光 調(diào)制而出現(xiàn)的衍射光斑；仔細(xì)調(diào)節(jié)光束對聲光調(diào)制器的角度，當(dāng)+1級（或者1級）衍射光最強(qiáng)時(shí)，聲光調(diào)制器 運(yùn)轉(zhuǎn)在布拉格衍射條件下；此時(shí)通過調(diào)節(jié)小孔光纜的橫向微調(diào)旋鈕時(shí)光強(qiáng)較強(qiáng)的+1或-1級衍射光通過小孔光闌， 調(diào)節(jié)光電探測器的橫向微調(diào)旋鈕，使衍射光落在光電探測器的中心，以便達(dá)到最佳接收效果。注：布拉格衍射一級衍射達(dá)到極值的條件是：1）控制電壓為一特定的值；2）入射激光必 須

21、以特定的角度布拉格角a入射。（二）、觀察交流信號調(diào)制特性一級布拉格衍射光強(qiáng)I1和驅(qū)動(dòng)高頻電壓振幅Um之間有如下關(guān)系I = I sin2 （aU ）由于調(diào)制電源是線性調(diào)制電源，所以驅(qū)動(dòng)高頻電源Um和控制電壓u是成正比例的，因此一 級衍射光強(qiáng)也可以改寫成如下形式I = I sin2（au）從上式中可以看出只有當(dāng)控制電壓為一定的值時(shí)一級衍射光強(qiáng)才能達(dá)到極值。所以打開信號 發(fā)生器，輸入交流的正弦波信號。加法器把直流偏壓和信號發(fā)生器的交流電壓疊加在一起輸 出到線性聲光調(diào)制器上，在示波器上可看到被調(diào)制的半導(dǎo)體激光的正弦波，同時(shí)通過改變線 性直流偏壓，也就是改變衍射光的光強(qiáng)，從而得到不同衍射光強(qiáng)下的調(diào)制波形。如圖7所示0.60v時(shí)的下失真波形1.80v時(shí)的上失真波形1.10v時(shí)的不失真波形2.00v時(shí)的雙失真波形（三）、聲光調(diào)制與光通訊實(shí)驗(yàn)演示在驅(qū)動(dòng)源輸入端加入外調(diào)制信號（如音頻信號、文字和圖像等），則衍射光強(qiáng)將隨次信號變化，從而達(dá)到控制激光傳輸特性的目的，實(shí)現(xiàn)模擬光通信。1.10v時(shí)的不