實(shí)驗(yàn)一聲光調(diào)制實(shí)驗(yàn)

S=?S=?u1=uksin(tkx)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(hào)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(lái)，隨著聲光技術(shù)的不響應(yīng)時(shí)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。1、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。(一)聲光調(diào)制的物理基礎(chǔ)射率變化的現(xiàn)象稱為彈光效應(yīng)。彈光效應(yīng)存在于一切物質(zhì)。2、聲光柵當(dāng)聲波通過(guò)介質(zhì)傳播時(shí)，介質(zhì)就會(huì)產(chǎn)生和聲波信號(hào)相應(yīng)的、隨時(shí)間和空間周期性變化光柵稱為超聲光柵。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(chǎng)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(zhǎng)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。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。移可寫(xiě)成u=ucos(tkx)sks量的模。相應(yīng)的應(yīng)變場(chǎng)是?x0ss?x對(duì)各向同性介質(zhì)，折射率分布為聲行波在某一瞬間是對(duì)介質(zhì)的作用情況如圖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)折射率n增大或減小呈現(xiàn)交替變化，變化周期是聲波周期，同時(shí)又以聲速v=s向前傳播。sks對(duì)于駐波的情況，考慮兩個(gè)相向傳播的同頻聲行波的疊加，質(zhì)點(diǎn)位移可以寫(xiě)成10ss而介質(zhì)折射率為sstTstTs4表示左、右行波。從圖中可見(jiàn)，聲波在一個(gè)周期半個(gè)周期Ts/2就變化一次。這樣，作為超聲光柵，它將交替出現(xiàn)和消失，其交替變化的頻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(chǎng)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(chǎng)的變化而變化。聲光調(diào)制就是基于這種效應(yīng)來(lái)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(chǎng)長(zhǎng)度的大小的不同，聲光效應(yīng)可以分為拉曼(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(shuō)，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(zhǎng)、光束入射角9及聲光作用距離L。1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(lái)表征sisi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(jí)和+1級(jí)外，其他各級(jí)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(guò)多年的實(shí)踐，現(xiàn)已普遍采用下列定量標(biāo)準(zhǔn)：G(b)G＜π時(shí)為拉曼－奈斯衍射區(qū)LscosisGLL面的定量標(biāo)準(zhǔn)可以(b)L≤L0/2為拉曼－奈斯衍射區(qū)式中，L0稱為聲光器件的特征長(zhǎng)度。引入了參數(shù)L0可使器件的設(shè)計(jì)十分簡(jiǎn)便。由于λs=νs/fs和λ=λ0/n，故L0不僅與介質(zhì)的性質(zhì)(νs和n)有關(guān)，而且與工作條件(fs和λ0)有表1拉曼-奈斯衍射和布拉格衍射產(chǎn)生條件上的區(qū)別布布拉格衍射聲光作用長(zhǎng)度較長(zhǎng)超聲波的頻率較高光束與聲波波面間以一定的角度斜入射此時(shí)的聲光晶體相當(dāng)于一個(gè)“立體光柵”拉曼-奈斯衍射聲光作用長(zhǎng)度較短超聲波的頻率較低光波垂直于聲場(chǎng)傳播的方向此時(shí)的聲光晶體相當(dāng)于一個(gè)“平面光柵”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(chǎng)分成一組衍射光，它們分別對(duì)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(jí)衍射光對(duì)稱的分布在零級(jí)衍射光兩側(cè)，且同級(jí)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(wú)吸收時(shí)衍射光各級(jí)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(zhǎng)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(duì)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(jí)衍射光相互抵消，只出現(xiàn)0級(jí)和1級(jí)的衍射光，簡(jiǎn)言之，我們?cè)?二)聲光調(diào)制原理聲光調(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3152~4(1)聲光介質(zhì)聲光介質(zhì)是聲光互作用的場(chǎng)所。當(dāng)一束光通過(guò)變化的超聲場(chǎng)時(shí)，由于光和超聲場(chǎng)的作用，其出射光就具有隨時(shí)間變化的各級(jí)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)或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(duì)面，用以吸收已通過(guò)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(chǎng)工作在駐波狀態(tài)，則需要將吸聲裝置(4)驅(qū)動(dòng)電源它用以產(chǎn)生調(diào)制電信號(hào)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(guò)渡層耦合介質(zhì)，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(guò)程。調(diào)制信號(hào)是以電信號(hào)(調(diào)幅)形式作用于電聲換能器上而轉(zhuǎn)化為以電信號(hào)形式變化的超聲場(chǎng)，當(dāng)光波通過(guò)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。如果聲波頻率較高，且聲光作用長(zhǎng)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(guò)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(chǎng)足夠強(qiáng)，可使入射光能量幾乎全部轉(zhuǎn)移到+1級(jí)和-1級(jí)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。ωωλ下面從波的干涉加強(qiáng)條件來(lái)推導(dǎo)布拉格方程。為此，可把聲波通過(guò)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(duì)于行波場(chǎng)，這些鏡面將以速度νs沿x方向移動(dòng)(因mc近似看成是靜止的，因而對(duì)衍射光的分布沒(méi)影響)。對(duì)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)為其波長(zhǎng)的整數(shù)倍，或者說(shuō)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(zhǎng)的整數(shù)倍，即入x(cos9cos9)=m(m=0,士1)(7)idn要使聲波面上所有點(diǎn)同時(shí)滿足這以條件，只有使式中v是聲速，p是介質(zhì)密度。于是(13)式寫(xiě)成id即入射角等于衍射角才能實(shí)現(xiàn)。對(duì)于相距λs的兩個(gè)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FE+EG必須等于光波波長(zhǎng)的整數(shù)倍，即sidnid入Bn或sin9==fss式中，θi=θd=θB，θB稱為布拉格角?？梢?jiàn)，只有入射角等于布拉格角θB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(zhǎng)度較大，屬于體光柵情況。理論分析表明，在聲波場(chǎng)的作用下入射光和衍射光之間存在如下關(guān)系〈(|Ei(r)=Ei(0)cos(kijr)|lEj(r')=-iEi(0)sin(kijr')n=I(L)j=sin2(kL)I(0)ijin3""ij2入ijklkl入ij注意到k=pn3""ij2入ijklkl入ij1An=n3pSij2ees「1]"L(MIs)]|「1]"L(MIs)]|L]in6P2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，s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)式并且，把換能器做成長(zhǎng)面較窄(即L大H小)的形式；(b)如果超聲功率足夠大，使"L"I達(dá)到2時(shí)，＝100%(c)當(dāng)Ps改變時(shí)，I1也隨之改變，因而通過(guò)控制Ps(即i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(qiáng)的目的，實(shí)現(xiàn)聲光調(diào)制。架5.半導(dǎo)體激光器6.聲光晶體盒7.旋轉(zhuǎn)平臺(tái)8.小孔光闌9.橫向滑座10.光電探測(cè)器的高度(使小孔光闌上下左右均可移動(dòng)即可)；(3)光路準(zhǔn)直：打開(kāi)電源開(kāi)關(guān)，接通激光電源，調(diào)節(jié)電源箱上的激光強(qiáng)度旋鈕，使激光束達(dá)到足夠強(qiáng)度。用小孔光闌來(lái)調(diào)整光路，先將半導(dǎo)體激光器放置在導(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(guò)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(guò)旋轉(zhuǎn)四維調(diào)整架上的旋鈕，使激光束通過(guò)小孔，反復(fù)調(diào)節(jié)，使得一定距離內(nèi)激光束是平行光；器高度，使得激光束剛好通過(guò)通光孔；器中心或與探測(cè)器中心在同一水平線上；小孔或與小孔在同一水平線上。(一)、觀察聲光調(diào)制的衍射現(xiàn)象調(diào)節(jié)激光束的亮度，使在接收屏(即小孔光闌)上有清晰的光點(diǎn)呈現(xiàn)；打開(kāi)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(kāi)始對(duì)聲光晶體進(jìn)行調(diào)仔細(xì)調(diào)節(jié)光束對(duì)聲光調(diào)制器的角度，當(dāng)+1級(jí)(或者－1級(jí))衍射光最強(qiáng)時(shí)，聲光調(diào)制器射條件下；-1級(jí)衍射光通過(guò)小孔光闌，(二)、觀察交流信號(hào)調(diào)制特性I=Isin2(a'U)1Lm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(jí)衍射光強(qiáng)也可以改寫(xiě)成如下形式L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(jí)衍射光強(qiáng)才能達(dá)到極值。所以打開(kāi)信號(hào)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v1.80v時(shí)的上失真波形(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(hào)(如音頻信號(hào)、文字和圖像等)，則衍射光強(qiáng)將隨次信號(hào)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。(四)、計(jì)算聲光調(diào)制偏轉(zhuǎn)角d即可求出聲光調(diào)制的偏轉(zhuǎn)角：9sin9。ddL(五)、測(cè)量超聲波的波速Vs將超聲波頻率F，偏轉(zhuǎn)角9(利用實(shí)驗(yàn)四的結(jié)果)與激光波長(zhǎng)代入V=F入，其中d