大學(xué)物理聲光效應(yīng)實驗報告模板

PAGEPAGE7梧州學(xué)院學(xué)生實驗報告專業(yè)班級：14應(yīng)用物理學(xué)學(xué)號：201400603003姓名：覃朝榮成績：實驗課程：近代物理實驗(1)實驗名稱：聲光調(diào)制實驗實驗組號：第二大組第三小組同組成員：黃東明農(nóng)利鉆實驗地點：應(yīng)用物理實驗室實驗時間：2016指導(dǎo)教師：陳偉華實驗?zāi)康模?．了解聲光相互作用原理。2．觀察布拉格衍射現(xiàn)象。3．研究聲光調(diào)制和聲光偏轉(zhuǎn)的特性。實驗儀器：半導(dǎo)體激光電源、聲光盒、小孔光闌、接收放大器、聲光調(diào)制電源箱等組成(圖1-5)。實驗原理：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)存在于一切物態(tài)。如上所述，當(dāng)聲波通過介質(zhì)傳播時，介質(zhì)就會產(chǎn)生和聲波信號相應(yīng)的、隨時間和空間周期性變化。這部分受擾動的介質(zhì)等效為一個“相位光柵”。其光柵常數(shù)就是聲波波長λs，這種光柵稱為超聲光柵。聲波在介質(zhì)中傳播時，有行波和駐波兩種形式。特點是行波形成的超聲光柵的柵面在空間是移動的，而駐波場形成的超聲光柵的柵面是駐立不動的。當(dāng)超聲波傳播到聲光晶體時，它由一端傳向另一端。到達(dá)另一端時，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，它由一端傳向另一端。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。聲光效應(yīng)是指光通過某一受到超聲波擾動的介質(zhì)時發(fā)生衍射的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象是光波與介質(zhì)中聲波相互作用的結(jié)果。1．布拉格聲光調(diào)制這套實驗系統(tǒng)主要是用來完成利用布拉格衍射進(jìn)行聲光調(diào)制的各項實驗，所以下面就著重講一下布拉格聲光調(diào)制。圖1圖1-1布拉格聲光衍射介質(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，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，使高級衍射光相互抵消，只出現(xiàn)0級和±1級的衍射光，這就是布拉格聲光衍射，如圖1-1所示，這種衍射形式效率較高，有利于制成各種實用器件。下面從波的干涉加強條件來推導(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λs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νs沿x方向移動(因為ωm<<ωc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的。當(dāng)平面波以θi入射至聲波場，在B、C、E各點處部分反射，產(chǎn)生衍射光。各衍射光相干增強的條件是它們之間的光程差應(yīng)為其波長的整數(shù)倍，或者說必須同相位。圖1-2表示在同一鏡面上的衍射情況，入射光在B、C點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 （1）要使聲波面上所有點同時滿足入射光衍射光入射光衍射光CDθθθBxA圖1-2入射光束在鏡面上發(fā)生衍射 （2）即入射角等于衍射角才能實現(xiàn)。對于相距λs的兩個不同的鏡面上的衍射情況，由上下面反射的反射光具有同相位的條件，其光程差必須等于光波波長的整數(shù)倍，即（3）考慮到，所以或 （4）式中，θi=θd=θB，θB稱為布拉格角?？梢?，只有入射角等于布拉格角θB時，在聲波面上的光波才具有同相位，滿足相干加強的條件，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，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 （5）式中Ei、Ej分別為入射光場和衍射光場，這為描述兩個光場的能量轉(zhuǎn)換效率提供了方便。定義：在作用距離L處衍射光強和入射光強之比為聲光衍射效率，即 （6）由于，注意到＝。因此，(6)式可寫為 (7)式中Δφ是傳播距離L后位相改變量。引入有效彈光系數(shù)pe和有效應(yīng)變Se得， （8）其中有效應(yīng)變Se同聲波場強度Is的關(guān)系是 （9）式中是聲速，是介質(zhì)密度。于是(1)式寫成 （10）或 （11）式中，，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，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(4)式可見：(a)若在超聲功率Ps一定的情況下，欲使衍射光強盡量大，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?。┑男问?；(b)如果超聲功率足夠大，使達(dá)到時，等于100%；(c)當(dāng)改變時，也隨之改變，因而通過控制Ps(即控制加在電聲換能器上的電功率)就可以達(dá)到控制衍射光強的目的，實現(xiàn)聲光調(diào)制。2．聲光調(diào)制系統(tǒng)的設(shè)計聲光調(diào)制系統(tǒng)設(shè)計的目的：設(shè)計出一整套完整的實驗系統(tǒng)，盡量減小其危險性，便于操作。(1)光源的選擇本實驗系統(tǒng)采用的是半導(dǎo)體激光器650nm的紅光，它具有激光的一切優(yōu)點，例如相干性好，發(fā)散角小，便于在空間傳輸?shù)葍?yōu)點。除此之外，與He-Ne激光器相比，它精小簡攜，放置在四維調(diào)整架上，易于調(diào)整。而且本實驗系統(tǒng)的650nm紅光是在0~2.5mW可調(diào)的，這樣就便于對光路的調(diào)節(jié)且不傷眼睛。(2)聲光晶體的選擇很多材料都可以做聲光材料使用，例如熔石英、鉬酸鉛(PbMoO4)、重火石玻璃等。這樣就需要根據(jù)實際應(yīng)用的要求進(jìn)行選擇，以下簡述一下對本實驗系統(tǒng)應(yīng)完成的布拉格衍射所需要的晶體的選擇。通常評價聲光材料性能優(yōu)劣的品質(zhì)因數(shù)有三個：①M2：表征材料的調(diào)制效率。，為調(diào)制效率，，故越大，所需聲功率則越小。②M1：評價材料的布拉格帶寬的品質(zhì)因數(shù)。顯然當(dāng)光波和聲波波長變化時，都將引起布拉格角θB的變化，從而降低衍射效率。對布拉格衍射，定義一級衍射光強下降到名義聲波λs衍射光強的一半時，聲頻變化量Δ?s為布拉格帶寬：，所以。引入一個新的物理量M1，使，M1越大，由此材料制成的調(diào)制器調(diào)制帶寬越寬。③M3：這是表征材料聲速大小的一個品質(zhì)因數(shù)。當(dāng)聲光器件作聲光偏轉(zhuǎn)用時，要求材料的聲速要小，因而引入M3=M1/vs=n7P2/ρvs2。綜上所述，對聲光材料的上述要求某些是矛盾的，必須視具體問題綜合考慮各因數(shù)，以確定適當(dāng)?shù)穆暪獠牧?。對于布拉格衍射，需要M1、M2、M3均越大越好的聲光材料，同時兼顧價錢等因素，本實驗系統(tǒng)采取了鉬酸鉛晶體，它的各項品質(zhì)因數(shù)為M1=15.3，M2=23.7，M3=24.9。(3)三角形導(dǎo)軌的使用三角形導(dǎo)軌采用馬蹄形設(shè)計，容易中心定位，穩(wěn)定性好，同時滑座可進(jìn)行精確調(diào)節(jié)或鎖緊。因此，便于操作。(4)旋轉(zhuǎn)平臺的使用將聲光晶體固定在旋轉(zhuǎn)平臺上，平臺上有水平調(diào)節(jié)螺栓和角度調(diào)節(jié)螺栓，利用水平調(diào)節(jié)螺栓可以任意調(diào)整聲光晶體的位置，待聲光晶體位置大致確定以后，鎖緊水平調(diào)節(jié)螺栓，然后旋轉(zhuǎn)角度調(diào)節(jié)螺栓(±5?精確調(diào)節(jié))，就可以改變光強在各級光斑上的分布。(5)橫向微調(diào)滑座的使用為了方便選擇所需要的某級衍射光進(jìn)行調(diào)制，設(shè)計并使用了可以橫向微調(diào)的滑座，滑座上有精密刻度的橫移調(diào)節(jié)機構(gòu)(±2cm)，將小孔光闌和接收放大器分別放在兩個橫向微調(diào)滑座上，調(diào)整好高度，在這種情況下，只要微調(diào)橫向螺桿，就可以對衍射光精確定位。設(shè)計的電源箱前后面板如圖1-3、1-4所示。圖1圖1-3聲光調(diào)制電源箱前面板示意圖圖1-4聲光調(diào)制電源箱后面板示意圖實驗內(nèi)容與步驟：利用這套聲光調(diào)制實驗系統(tǒng)可以完成下列實驗：1．觀察聲光調(diào)制的衍射現(xiàn)象調(diào)節(jié)激光束的亮度，使在相屏中心有明晰的光點呈現(xiàn)，此即為聲光調(diào)制的0級光斑；打開聲光調(diào)制電壓，此時以80MHz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-1級)衍射光最強時，聲光調(diào)制器即運轉(zhuǎn)在布拉格條件下的偏轉(zhuǎn)狀態(tài)。注：布拉格衍射1級衍射達(dá)到極值的條件是：(1)控制電壓為一特定的值；(2)入射激光必須以特定的角度布拉格角α入射。2．觀察交流信號調(diào)制特性打開信號發(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，測出示波器上信號波的相對幅度(圖1-6)。改變直流偏壓的大小或增加信號發(fā)生器的信號強度，觀察輸出波形的調(diào)制特性。0.60V時的下失真波形0.60V時的下失真波形1.80V時的上失真波形1.10V時的不失真波形2.00V時的上下失真波形圖1-63．聲光調(diào)制與光通訊實驗演示在驅(qū)動源輸入端加入外調(diào)制信號(如音頻信號、文字和圖像等)，則衍射光強將隨次信號變化(圖1-7)，從而達(dá)到控制激光輸出特性的目的，實現(xiàn)模擬光通信和圖像處理。1.10V1.10V時的不失真音頻信號2.00V時的失真音頻信號圖1-74．測量聲光調(diào)制器的衍射效率定義：在作用距離處衍射光強和入射光強之比為聲光衍射效率。衍射效