声光效应实验.doc

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南京浪博科教仪器研究所025-86200631/86200632/******@
前言
声光效应是指光通过某一受到超声波扰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。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理想的光源,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的应用。
SO2000声光效应实验仪采用了中心频率高达100MHz的声光器件、100MHz的功率信号源和分辨率达11μm的CCD光强分布测量仪,因此物理现象特别显著,仪器体积小巧,测量结果精确,适合各校实验室用于普通物理、近代物理和演示实验。
第1章硬件组成
一套完整的SO2000声光效应实验仪配有:已安装在转角平台上的100MHz声光器件、半导体激光器、100MHz功率信号源、LM601CCD光强分布测量仪及光具座。每个器件都带有ø10的立杆,可以安插在通用光具座上。在终端,如果用示波器进行实验,则构成了示波器型SO2000;如果用计算机进行实验,则构成了微机型SO2000(微机型SO2000还需配备USB100数据采集盒及工作软件)。
声光器件(声速V=3632m/s,介质折射率n=)
吸声材料
声光介质
压电换能器
图1:声光器件的结构
声
波
前进方向
光波前进方向
转角平台旋转手轮
转角平台
声光器件
声光器件的结构示意图如图1所示。它由声光介质、压电换能器和吸声材料组成。
图2:转角平台
本实验采用的声光器件中的声光介质为钼酸铅,吸声材料的作用是吸收通过介质传播到端面的超声波以建立超声行波。将介质的端面磨成斜面或成牛角状,也可达到吸声的作用。压电换能器又称超声发生器,由妮酸锂晶体或其它压电材料制成。它的作用是将电功率换成声功率,并在声光介质中建立起超声场。压电换能器既是一个机械振动系统,又是一个与功率信号源相联系的电振动系统,或者说是功率信号源的负载。为了获得最佳的电声能量转换效率,换能器的阻抗与信号源内阻应当匹配。声光器件有一个衍射效率最大的工作频率,此频率称为声光器件的中心频率,记为
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。对于其它频率的超声波,其衍射效率将降低。规定衍射效率(或衍射光的相对光强)下降3db(即衍射效率降到最大值的1/)时两频率间的间隔为声光器件的带宽。
声光器件安装在一个透明塑料盒内,置于转角平台上,见图2。盒上有一插座,用于和功率信号源的声光插座相连。透明塑料盒两端各开一个小孔,激光分别从这两个孔射入和射出声光器件,不用时用贴纸封住以保护声光器件。旋转转角平台的旋转手轮可以转动转角平台,从而改变激光射入声光器件的角度。
功率信号源
SO2000功率信号源专为声光效应实验配套,输出频率范围为80~120MHz,最大输出功率1W。面板上的各输入/输出信号和表头含义如下:
等幅/调幅:做基本的声光衍射实验时,要打在“等幅”位置,否则信号源无输出;做模拟通信实验
时,要打在“调幅”位置。
调制:输入信号插座。等幅/调幅开关处于“调幅”位置时,此位置接上“模拟通信发送器”,从“调制”端口输入一个TTL电平的数字信号,就可以对声功率进行幅度调制,频率范围0~20KHz。调制波的解调可用光电池加放大电路组成的“光电池盒”来实现。具体方法是,移去CCD光强分布测量仪,安置上“光电池盒”,“光电池盒”再与“模拟通信接收器”相连。将1级衍射光对准“光电池盒”上的小孔,适当调节半导体激光器的功率,就可以用喇叭或示波器还原调制波的信号,进行模拟通信实验。模拟通信收发器的介绍见下文。
声光:输出信号插座。用于连接声光器件,将功率信号源的电信号传入声光器件,经压电换能器转换为声波后注入声光介质。
测频:输出信号插座。接频率计,用于测量功率信号源输出信号的频率。
频率旋钮:用于改变功率信号源的输出信号的频率,可调范围80~120MHz。逆时针到底是80MHz,顺时针到底是120MHz。
功率旋钮:用于调节功率信号源的输出功率,逆时针减小,顺时针变大。面板上的毫安表读数作功率指示用,读数值×10约等于功率毫瓦数。*使用时,为保证声光器件的安全,不要长时间处于功率最大位置!
:其核心是线阵CCD器件。CCD器件是一种可以电扫描的光电二极管列阵,
有面阵(二维)和线阵(一维)之分。LM601/501CCD光强仪所用的是线阵CCD器件,性能参数如下
表。LM601/501CCD光强仪机壳尺寸为150mm×100mm×50mm,CCD器件的光敏面至光强仪前面板
。
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型号
光敏元素
光敏元尺寸
光敏元中心距
光谱响应范围
光谱响应峰值
LM601S
2700个
11×11μm
11μm
~

LM601
2592个
11×11μm
11μm
~

LM501
2048个
14×14μm
14μm
~

LM601/501CCD光强仪后面板各插孔标记含义如下,其输出波形见图3:
“同步”:Q9头,示波器型用。启动CCD器件扫描的触发脉冲,主要供示波器触发用。“同步”的含意是“同步扫描”,与示波器的触发端口相连。
“信号”:Q9头,示波器型用。CCD器件接受的空间光强分布信号的模拟电压输出端,与示波器的某
一路信号端口相连。
DB9插头:微机型用,连至USB100计算机数据采集盒。
:用USB接口与计算机相连,同时以DB15插座通过电缆线LM601/501CCD光强仪后面板上的DB9插座相连。采集盒上有一个12位的A/D转换器,也就是说可以把CCD器件上每一个光敏单元上的光强信号分成4096个灰度等级。空间分辨率与所使用的CCD光强仪的型号有关,在11μm~14μm之间。采集盒对计算机要求不高,586最小配置,有USB接口就可以了。相应的工作软件在另文中介绍。
20ms
0v
5v
信号
信号光强
环境光强
401:1024×14μm
501:2048×14μm
601:2592×11μm
801:5360×7μm
5v
0信号光强(扫描基线)
采样
同步
图3:LM601CCD光强仪波形图
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fl-fH
声光偏转测量
0级1级
α
f
声光调制测量
0级1级2级
I
Pa
I1
I0
I2
图4:示波器上的实验波形及描绘出的曲线
模拟通信收发器(选购件,如未购,则此部分可略过不看)
模拟通信收发器由三件仪器组成:模拟通信发送器、模拟通信接收器和光电池盒。
模拟通信发送器的各接口及开关描述如下:
调制:输出信号插座。当功率信号源的等幅/调幅开关处于“调幅”位置时(即做模拟通信实验时),此位置接上功率信号源的调制插座,即向功率信号源输出TTL电平的数字调制信号用于对声功率进行幅度调制。
示波器:如果要在双踪示波器上对比观察本模拟通信实验中发送和接收到的音乐TTL电平的数字信号,则此插座接示波器的一路通道,并作为触发信号;模拟通信接收器的示波器插座接示波器的另一路通道。
喇叭开关:用于选择是否监听发送器送出的音乐TTL信号。
选曲开关:发送器可以送出的音乐TTL信号有两首乐曲,用此开关选择。
模拟通信接收器的各接口描述如下:
光电池:接光电池盒。
示波器:如果要在双踪示波器上对比观察本模拟通信实验中发送和接收到的音乐TTL电平的数字信号,则此插座接示波器的一路通道;模拟通信发送器的示波器插座接示波器的另一路通道,并作为触发信号。
音量旋钮:调节模拟通信接收器还原出来的音乐TTL信号的音量大小。
光电池盒
取代LM601CCD光强分布测量仪,与模拟通信接收器的光电池插座连接并向模拟通信接收器传送接收到的带调制信号的衍射光信号。
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半导体激光器
半导体激光器输出光强稳定,功率可调,寿命长。在后面板上有一只调节激光强度的电位器,在盒顶和盒侧各有一只做X-Y方向微调的手轮。性能参数见激光器外壳上的铭牌。

,配3只马鞍座,其中一只可横、纵向移动,一般用于安置CCD光强仪或光电池盒用。SO2000的各部件的底端都有螺口用以旋入直径为10mm的立杆,拧紧后插入各马鞍座里,旋紧马鞍座的立杆旋钮,再将马鞍座置于光具座上,待各部件位置调节好后,旋紧马鞍座侧面的旋钮即可完成固定。

声光效应实验只需一台单踪示波器即可,而模拟通信实验需要一台双踪示波器。频率计的量程需大于150MHz。
第2章安装和使用
SO2000声光效应实验仪可完成基本声光效应实验和在此基础上的声光模拟通信实验,这两种实验的安装、连线分别介绍如下。
ξ2-1声光效应实验
信号
同步
声光功率信号源
激光器
转角平台
光强分布测量仪
Y
X
示波器
频率计
声光功率信号源
激光器
转角平台
光强分布测量仪
频率计
USB采集盒
接计算机
图5:声光效应实验安装图(上为示波器型,下为微机型)
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安装图如图5所示。
本实验中需用到下列电线或电缆:
光强分布测量仪到示波器:同型号2根,每根均为双Q9插头。这两根线中,一根连接光强分布测量仪的“信号”和示波器的测量输入通道,另一根连接光强分布测量仪的“同步”和示波器的外触发同步通道。
光强分布测量仪到USB100采集盒(微机):1根,两端是DB15(15芯)和DB9(9芯)插头。用它连接USB采集盒和CCD光强仪,再用USB线将USB采集盒与计算机相连;
功率信号源到转角平台上的声光器件:1根。其一头为Q9插头,连接声光器件,一头为莲花插头,连接功率信号源的“声光”插座,此时,功率信号源要打在“等幅”上;当使用模拟通信收发器时,要打在“调幅”上。
使用过程如下:
,开启除功率信号源之外的各部件的电源;
,使半导体激光器射出的光束准确地由声光器件外塑料盒的小孔射入、穿过声光介质、由另一端的小孔射出,照射到CCD采集窗口上,这时衍射尚未产生(声光器件尽量靠近激光器);
,将光强仪的“信号”插孔接至示波器的Y轴,~1V/格档,扫描频率一般置2ms/格档;光强仪的“同步”插孔接至示波器的外触发端口,极性为“+”。适当调节“触发电平”,在示波器上可以看到一个稳定的类似图4所示的单峰波形;用计算机测量时,连接USB采集盒和CCD光强仪,再用USB线将USB采集盒与计算机相连。启动工作软件即可采集、处理实验波形和数据;
,这是CCD器件已饱和所致。可试着减弱环境光强、减小激光器的输出功率,问题就可得以解决;
,有“毛刺”,大多CCD采光窗上落有灰尘。可通过转动活动马鞍座侧面的旋钮来移动CCD光强分布测量仪或改变光束的照射位置来解决这个问题;
,打开功率信号源的电源;
,改变激光束的入射角,可获得布喇格衍射或喇曼-纳斯衍射。本实验的声光器件是为布喇格衍射条件设计制造的,并不满足喇曼-纳斯衍射条件。如有条件,最好另配一套中心频率为10MHz左右的声光器件和功率信号源,专门研究喇曼-纳斯衍射。这里为降低成本,本实验只对喇曼-纳斯衍射作定性观察;
,可在CCD采集窗口前置一白纸,在纸上看到正确的图形后再让它射入采集窗口;
,将功率信号源的功率旋钮置于中间值,固定,旋转频率旋钮而改变信号频率,0级光与1级光之间的衍射角随信号频率的变化而变化。这是声光偏转;
,固定频率旋钮,旋转功率旋钮而改变信号的强度,0级光与1级光的强度分布也随之而变,这是声光调制;布喇格衍射的示波器实例如图6所示;
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,有时须反复调节激光束、声光器件、CCD光强分布测量仪等之间的几何关系与激光器的功率;
图6:布喇格衍射的0级光和1级光(示波器和微机型)
ξ2-2声光模拟通信实验
声光功率信号源
激光器
转角平台
Y
X
示波器
图7:模拟通信实验安装图
光电池盒
模拟通信接收器
模拟通信发送器
安装图如图7所示。
本实验中需用到下列电线或电缆:
功率信号源和转角平台上的声光器件:1根。其一头为Q9插头,连接声光器件,一头为莲花插头,连接功率信号源的“声光”插座,此时,功率信号源要打在“调幅”上。当做声光效应实验时,要打在“等幅”上;
功率信号源和模拟通信发送器:1根。其一头为Q9插头,接模拟通信发送器的调制插孔,另一头为Q9插头,连接功率信号源的调制插座;
模拟通信发送器和示波器:1根。其一头为Q9插头,接模拟通信发送器的示波器插座,另一头为Q9插头,接示波器的Y1和以Y1为同步(Y1置1v/格档);
模拟通信接收器和光电池盒:由光电池盒引出一个莲花插头,接模拟通信接收器的光电池插座;
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模拟通信接收器和示波器:1根。其一头为Q9插头,接模拟通信接收器的示波器插座,一头为Q9插头,接示波器的Y2输入信号端口(~);
使用过程如下:
完成安装后,开启各部件的电源;功率信号源的输出功率不要太大;
仔细调节光路,使半导体激光器射出的光束准确地由声光器件外塑料盒的小孔射入、穿过声光介质、由另一端的小孔射出,仔细调节转角平台旋钮,满足布喇格衍射,并将1级衍射光射入光电池盒的接收圆孔;
将模拟通信发送器的喇叭开关打在“关”上,以避免它对模拟通信接收器还原出的音乐的干扰。此时,模拟通信接收器的扬声器应送出模拟通信发送器的音乐;在示波器上应观察到两路信号波形相一致或相反;
具体实验步骤参见实验讲义。
第3章实验目的和原理
<实验目的>
了解声光效应的原理。
了解喇曼—纳斯衍射和布喇格衍射的实验条件和特点。
通过对声光器件衍射效率,中心频率和带宽等的测量,加深对其概念的理解。
测量声光偏转和声光调制曲线。
模拟激光通讯实验。
<实验原理>
当超声波在介质中传播时,将引起介质的弹性应变作时间上和空间上的周期性的变化,并且导致介质的折射率也发生相应的变化。当光束通过有超声波的介质后就会产生衍射现象,这就是声光效应。有超声波传播着的介质如同一个相位光栅。
声光效应有正常声光效应和反常声光效应之分。在各向同性介质中,声-光相互作用不导致入射光偏振状态的变化,产生正常声光效应。在各向异性介质中,声-光相互作用可能导致入射光偏振状态的变化,产生反常声光效应。反常声光效应是制造高性能声光偏转器和可调滤光器的物理基础。正常声光效应可用喇曼-纳斯的光栅假设作出解释,而反常声光效应不能用光栅假设作出说明。在非线性光学中,利用参量相互作用理论,可建立起声-光相互作用的统一理论,并且运用动量匹配和失配等概念对正常和反常声光效应都可作出解释。本实验只涉及到各向同性介质中的正常声光效应。
设声光介质中的超声行波是沿у方向传播的平面纵波,其角频率为ws,波长为λs,波矢为ks。入射光为沿х方向传播的平面波,其角频率为w,在介质中的波长为λ,波矢为k。介质内的弹性应变也以行波形式随声波一起传播。由于光速大约是声波的105倍,在光波通过的时间内介质在空间上的周期变化可看成是固定的。
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KS
b
2
b
2
L
2
χ
y
K
o
L
2
θ
图9:声光衍射
由于应变而引起的介质折射率的变化由下式决定
1)
式中,n为介质折射率,S为应变,P为光弹系数。通常,P和S为二阶张量。当声波在各向同性介质中传播时,P和S可作为标量处理,如前所述,应变也以行波形式传播,所以可写成
(2)
当应变较小时,折射率作为y和t的函数可写作(3)
式中,n0为无超声波时的介质折射率,△n为声波折射率变化的幅值,由(1)式可求出
设光束垂直入射(k⊥kS)并通过厚度为L的介质,则前后两点的相位差为
(4)
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式中,k0为入射光在真空中的波矢的大小,右边第一项△ф0为不存在超声波时光波在介质前后二点的相位差,第二项为超声波引起的附加相位差(相位调制),δф=k0△nL。可见,当平面光波入射在介质的前界面上时,超声波使出射光波的波阵面变为周期变化的皱折波面,从而改变了出射光的传播特征,使光产生衍射。
设入射面上的光振动为Ei=Aeit,A为一常数,也可以是复数。考虑到在出射面上各点相位的改变和调制,在xy平面内离出射面很远一点处的衍射光叠加结果为
写成一等式时,
(5)
式中,b为光束宽度,θ为衍射角,C为与A有关的常数,为了简单可取为实数。利用一与贝塞耳函数有关的恒等式
式中Jm(α)为(第一类)m阶贝塞耳函数,将(5)式展开并积分得
(6)
上式中与第m级衍射有关的项为
(7)
(8)
因为函数sinχ/χ在χ=0时取极大值,因此有衍射极大的方位角θm由下式决定:
(9)
式中,λ0为真空中光的波长,λS为介质中超声波的波长。与一般的光栅方程相比可知,超声波引起的有应变的介质相当于一光栅常数为超声波长的光栅。由(7)式可知,第m级衍射光的频率wm为
wm=w-mws(10)
可见,衍射光仍然是单色光,但发生了频移。由于w>>ws,这种频移是很小的。
第m级衍射极大的强度Im可用(7)式模数平方表示: