晶体声光效应实验使用说明书.docx

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晶体声光效应实验使用说明书

WGX-21晶体声光效应实验仪

使用说明书

天津市拓普仪器有限公司

【概述】……………………………………………………………………1

一、实验目的………………………………………………………………1

二、实验原理………………………………………………………………1

三、实验装置及安装使用…………………………………………………7

（一）、实验装置………………………………………………………..7

（二）、仪器技术参数…………………………………………………12

（三）、安装和使用…………………………………………………….12

四、实验内容和步骤………………………………………………………15

五、思考与讨论…………………………………………………………18

声光效应实验

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。

本实验采用WGX-21型声光效应实验仪，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光强分布测量仪等。

一.实验目的

1.了解声光效应的原理。

2..了解喇曼—纳斯衍射和布喇格衍射的实验条件和特点。

3.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。

4...测量声光偏转和声光调制曲线。

5...模拟激光通讯实验。

二、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（如图1）。

介质内的弹性应变也以行波形式随声波一起传播。

由于光速大约是声速的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。

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）

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

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：

（11）式中，E*0为E0的共轭复数，I0=C2b2。

第m级衍射极大的衍射效率ηm定义为第m级衍射光的强度与入射光强度之比。

由（11）式可知，ηm正比于J2m（δф）。

当m为整数时，J-m（α）=（-1）mJm（α）。

由（9）式和（11）式表明，各级衍射光相对于零级对称分布。

当光束斜入射时，如果声光作用的距离满足L＜λS2／2λ，则各级衍射极大的方位角θm由下式决定

（12）

式中i为入射光波矢k与超声波波面之间的夹角。

上述的超声衍射称为喇曼-纳斯衍射，有超声波存在的介质起一平面相位光栅的作用。

当声光作用的距离满足L＞2λS2／λ，而且光束相对于超声波波面以某一角度斜入射时，在理想情况下除了0级之外，只出现1级或者-1级衍射。

如图2所示。

这种衍射与晶体对X光的布喇格衍射很类似，故称为布喇格衍射。

能产生这种衍射的光束入射角称为布喇格角。

此时的有超声波存在的介质起体积光栅的作用。

可以证明，布喇格角满足

（13）

式中（13）称为布喇格条件。

因为布喇格角一般都很小，故衍射光相对于入射光的偏转角φ为

（14）

式中，νS为超声波波速，fS为超声波频率，其它量的意义同前。

在布喇格衍射的情况下，一级衍射光的衍射效率为

（15）

式中，PS为超声波功率，L和H为超声换能器的长和宽，M2为反映声光介质本身性质的一常数，M2=n6P2/ρνS3，ρ为介质密度，P为光弹系数。

在布喇格衍射下，衍射光的频率也由（10）式决定。

理论上布喇格衍射的衍射效率可达到100%，喇曼-纳斯衍射中一级衍射光的最大衍射效率仅为34%，所以实用的声光器件一般都采用布喇格衍射。

由（14）式和（15）式可看出，通过改变超声波的频率和功率，可分别实现对激光束方向的控制和强度的调制，这是声光偏转器和声光调制器的物理基础。

从（10）式可知，超声光栅衍射会产生频移，因此利用声光效应还可制成频移器件。

超声频移器在计量方面有重要应用，如用于激光多普勒测速仪等。

以上讨论的是超声行波对光波的衍射。

实际上，超声驻波对光波的衍射也产生喇曼-纳斯衍射和布喇格衍射，而且各衍射光的方位角和超声频率的关系与超声行波时的相同。

不过，各级衍射光不再是简单地产生频移的单色光，而是含有多个傅里叶分量的复合光。

三.实验装置及安装使用

（一）实验装置

一套完整的声光效应实验仪配有：

已安装在测角平台上的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ø12mm的立杆，可以通过滑座安装在通用光具座上。

1.声光器件（声速V=3632m/s,介质折射率n=2.386）

声光器件的结构示意图如图3所示。

它由声光介质、压电换能器和吸声材料组成。

转角平台

声光器件

转角平台旋转手轮

图4：

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

。

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金属盒内，置于测角平台上，见图4。

盒上有一插座，用于和功率信号源的声光插座相连。

金属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。

旋转测角平台的螺旋测微头可以微量转动测角平台，从而改变激光射入声光器件的角度。

2.功率信号源

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！

3.LM601CCD光强分布测量仪（选配）

用线阵CCD光强分布测量仪而不是用单个光电池来作光电接收器的好处是：

可以在同一时刻实时地显示、测量各级衍射光的相对强度分布，不受光源强度跳变、漂移的影响。

在衍射角的测量上也有很高的精度。

除在示波器上测量外，也可用计算机来采集处理实验数据（需增购一块CCD采集卡）

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。

LM601CCD光强仪所用的是线阵CCD器件，参数见下表。

LM601CCD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距离为4.5mm。

LM601光强仪后面板各插孔含义如下，内部电路结构框图见图5，波形图见图5：

光敏元数2592个，光敏元尺寸：

11×11μm，光敏元中心距：

11μm，光敏元线阵有效长：

28.67mm，光谱响应范围：

0.35~0.9μm，

光谱响应峰值：

0.56μm。

“示波器/微机”：

当光强仪配接的是CCD数显示波器或通用示波器时，将此开关打在“示波器”位置，

“同步”：

脉冲频率为50Hz；当配接的是按装有CCD采集卡的微机系统时，把开关打在“微机”位置，“同步”脉冲频率为1~5Hz，“采样”脉冲频率为10~15KHz左右。

启动CCD器件扫描的触发脉冲，“同步”的含意是“同步扫描”，主要供示波器X轴外同步触发和采集卡同步用；送往微机时，接电缆线的黄色插头。

“信号”：

CCD器件接受的空间光强分布信号的模拟电压输出端，送往示波器的测量信号通道；送往微机时，接电缆线的红色插头。

“采样”：

每一个脉冲对应于一个光电二极管，脉冲的前沿时刻表示外接设备可以读取光电管的光电压值，“采样”信号是供CCD采集卡“采样”同步和供SB14CCD专用数显示波器作X位置计数。

此脉冲也可作为几何形状测量时的计数脉冲。

接通用示波器时此信号空置；接微机时，接电缆线的蓝色插头。

在光强仪面板前设有一个可旋转的减光器，其作用是防止CCD器件受到过强的衍射光照射而饱和。

饱和的表现为在示波器上没有信号波形或波形曲线顶端有“削头”现象。

使用时，先旋转减光器，能看清CCD器件上的一条白线（光敏元线阵），调整相应部件，使衍射光能照到这条白线上，然后旋转减光器或调节半导体激光器的功率，使在示波器上有一个较满意的波形。

4.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。

1）.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。

2）.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。

3）.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。

5．半导体激光器

半导体激光器输出光强稳定，可调焦，寿命长。

半导体激光器固定架由二维调整架和激光器套组成。

半导体激光器放入激光器套中后，通过锁紧螺钉将其固定。

该调整架既可做沿光轴方向的俯仰调整，同时也可以做垂直于光轴方向的偏摆调整。

6．光具座

0.8M长的铝质导轨上配3只滑座，其中一只可横向移动，一般用于安置CCD光强仪或光电池盒用。

将滑座置于光具座上，待各部件位置调节好后，旋紧滑座侧面的旋钮即可完成固定。

7．示波器

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。

（二）仪器技术参数

1．仪器工作电压DC220V

10％50Hz

2Hz

2．仪器工作环境温度：

0－40

，相对湿度：

<90%

3.半导体激光器工作电压：

DC5V输出波长：

650nm

偏振性：

部分偏振光输出功率稳定度：

<5%

光斑直径：

<2mm（可调焦）

4.频率计量程大于150MHz

5.功率信号源可调范围：

80-120MHz

最大输出功率：

1W

6.LM601光强分布测量仪光敏元数：

2592个

光斑尺寸：

11×11μm

光谱响应范围：

0.35~0.9μm

光谱响应峰值：

0.56μm

光敏元中心距：

11μm

光敏元线阵有效长：

28.67mm

（三）安装和使用

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。

1．声光效应实验

图7：

声光效应实验安装图（上为示波器型，下为微机型）

安装：

如图7所示。

本实验中需用到下列电线或电缆：

功率信号源到测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：

使用过程如下：

（1）完成安装后，开启除功率信号源之外的各部件的电源；

（2）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金属盒的小孔射入、穿过声光介质、由另一端的小孔射出，再透过偏振减光器，照射到白屏上，这时衍射尚未产生（声光器件尽量靠近激光器）；

（3）此时在白屏上看到一个激光点；

（4）得到满意的光斑后，打开功率信号源的电源；

（5）微调测角平台旋钮，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；

（6）在布喇格衍射条件下，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；

（7）在布喇格衍射条件下，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；

（10）为了获得理想波形，有时须反复调节激光束、声光器件、白屏等之间的几何关系与激光器的功率；

（12）具体实验步骤参见实验讲义。

2．声光模拟通信实验

安装：

如图9所示。

本实验中需用到下列电线或电缆：

（1）功率信号源和测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；

（2）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；

（3）摸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）；

（4）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；

（5）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（Y2置0.1v~0.5v/格档）；

使用：

使用过程如下：

（1）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；

（2）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金属盒的小孔射入、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；

（3）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的波形相一致或相反；

（4）具体实验步骤参见实验讲义。

四、实验内容和步骤

由于声光效应实验仪采用的中心频率高达100MHz的声光器件，而喇曼-纳斯衍射发生的条件是声频较低、声波与光波作用长度比较小，因此，本实验主要围绕布喇格衍射展开，对于喇曼-纳斯衍射仅作观察等一般研究。

1．展开仪器，按前所述完成声光效应实验的安装；

2．调出布喇格衍射，

3．在布喇格衍射下，测量衍射光相对于入射光的偏转角φ与超声波频率（即电信号频率）fs的关系曲线，并计算声速ν（注意fS一般取80~110MHz）。

测出6—8组（φ，f）值，在课堂上用计算器作直线拟合求出φ和fS的相关系数。

课后作φ和fS的关系曲线。

注意式（13）和（14）中的布喇格角iB和偏转角φ都是指介质内的角度，而直接测出的角度是空气中的角度，应进行换算,声光器件n=2.386。

由于声光器件的参数不可能达到理论值，实验中布喇格衍射不是理想的，可能会出现高级次衍射光等现象。

调节布喇格衍射时，使1级衍射光最强即可。

表中D为0级光与1级光的偏转距离。

L是声光介质的光出射面到白屏；ν的计算见式（14）。

请参见图6中左边的波形和关系曲线，即声光偏转测量，其波形是用多点曝光法获得的。

4．固定超声波功率，并记下功率值Ps。

（1）测量1级衍射光相对于0级衍射光的衍射效率η与超声波频率f的关系曲线（或I与f的关系曲线），测5组。

衍射效率η=

，其中，

为未发生声光衍射时“0级光”的强度，

为发生声光衍射后1级光的强度。

次数

0级光与1级光的偏转距离（mm）

L（mm）

φ

fs（MHz）

νs

1

2

…

…

…

…

…

…

（2）测定ηmax，则此时的频率为中心频率f。

（3）将ηmax下降3db，即η=

ηmax，记下此时频率f，带宽Δfb=[（100.4-90.2）+（109.8-100.4）]/2=9.8MHz

5．声光调制测量。

将功率信号源频率固定在f，测出衍射光强度I与超声波功率P的关系曲线，测5组。

6．（选做实验）按前所述完成声光模拟通信实验的仪器安装和调试；改变超声波功率，注意观察模拟通信接收器送出的音乐的变化，分析原因。

五、思考与讨论

1．为什么说声光器件相当于相位光栅？

2．声光器件在什么实验条件下产生喇曼-纳斯衍射？

在什么实验条件下产生布喇格衍射？

两种衍射的现象各有什么特点？

3．调节喇曼-纳斯衍射时，如何保证光束垂直入射？

4．声光效应有哪些可能的应用？