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1、物理实验3晶体的声光调制一、实验目的1. 掌握晶体电光调制的原理和实验方法 2. 观察晶体声光效应引起的晶体布拉格衍射现象3. 通过示波器比较声光调制实现对光信号的调制 二、实验仪器晶体声光调制器, 声光调制电源， 半导体激光器, 小孔光阑,光电转换器，双踪示波器三、实验原理早在本世纪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良好的光源，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应
2、用。声光效应已广泛用于声学、光学和光电子学。近年来，随着声光技术的不断发展，人们已广泛地开始采用声光器件在激光腔内进行锁膜或作为连续器件的Q开关。由于声光器件具有输入电压低、驱动功率小、温度稳定性好、能承受较大光功率、光学系统简单、响应时间快、控制方便等优点，加之新一代的优质声光材料的发现，使声光器件具有良好的发展前景，它将不断地满足工业、科学、军事等方面的要求。若有一超声波通过某种均匀介质，介质材料在外力作用下发生形变，分子间因互相作用力发生改变而产生相对位移，将引起介质内部密度的起伏或周期性变化，密度大的地方折射率大，密度小的地方折射率小，即介质折射率发生周期性改变。这种由于外力作用而引起
3、折射率变化的现象称为弹光效应。弹光效应存在于一切物态。如上所述，当声波通过介质传播时，介质就会产生和声波信号相应的、随时间和空间周期性变化的密度变化。这部分受扰动的介质等效为一个“相位光栅”。其光栅常数就是声波波长，这种光栅称为超声光栅。声波在介质中传播时，有行波和驻波两种形式。特点是行波形成的超声光栅的栅面在空间是移动的，而驻波场形成的超声光栅栅面是驻立不动的。当超声波传播到声光晶体时，它由一端传向另一端。到达另一端时，如果遇到吸声物质，超声波将被吸声物质吸收，而在声光晶体中形成行波。由于机械波的压缩和伸长作用，则在声光晶体中形成行波式的疏密相间的构造，也就是行波形式的光栅。当超声波传播到声
4、光晶体时，它由一端传向另一端。如果遇到反声物质，超声波将被反声波反射，在返回途中和入射波叠加而在声光晶体中形成驻波。由于机械波压缩伸长作用，在声光晶体中形成驻波形式的疏密相间的构造，也就是驻波形式的光栅。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相互作用的结果。图一 声光调制光栅如果超声波强度和波长合适，就会在晶体中形成稳定的驻波，驻波是正弦（余弦）型的，这样引起的晶体折射率周期性变化就也是正弦型的，那么形成的光栅就是一个正弦光栅。我们知道，正弦光栅对光衍射时只会出现0、1三级条纹。所以形成稳定驻波时的声光调制光栅只会产生0、1三级条纹，这时一般叫作布拉格
5、衍射状态。如果稍微调节入射角，则能使衍射光点最强从0级转移到1（或者1），此时，声光调制器被称作运转在布拉格条件下的偏转状态。理论分析表明当图一中入射角度满足下式时，衍射光达到最强。其中N为衍射光的级次，、k分别为入射光的波长和波数， 与K分别为超声波的波长和波数。由此可知，布拉格条件即为上式中N等于1的情况，此时的入射光偏转角满足。因此，声光调制器在输入超声波不同情况下会产生不同的衍射效果，由此就可以设计出通过调节超声波信号从而调节光信号的调制过程，这也就是声光调制的原理。四、实验仪器实验所用声光调制仪器系统原理图如图二所示，其中光电接收没有使用图二 声光调制实验装置原理图CCD线阵列，而只
6、是使用一个点探测硅光电转换器。声光调制器一般包括两部分组成，声光介质和超声换能器，由超声换能器把射频信号转化成超声波信号，超声波信号加到声光介质上就能最终实现声光调制。本实验声光介质为钼酸铅晶体，换能器介质为铌酸锂晶体。声光调制器通光口径为1mm，超声换能器中心频率为80MHz。五、实验内容1光路调节（1）在光具座的滑座上放置好激光器和光电接收器，并安装好声光调制器的载物台；（2）按系统连接方法将激光器、声光调制器、光电接收器等组件连接到声光调制电源箱；（3）光路准直：打开电源开光，接通激光电源，调节电源箱上的激光强度旋钮，使激光束得到足够强度。用小孔光阑来调整光路，先将半导体激光器放置在导轨
7、零点处锁定，把小孔光阑拉到激光器附近，调整四维调整架左和上旋钮，使激光束通过小孔，再把小孔光阑拉远一些，基本是声光调制器放置的位置，旋转四维调整架上的右和下旋钮，使激光束通过小孔，反复调节，使得一定距离内激光束是平行光；（4）将声光调制器的通光孔置于载物平台的中心位置，调整好高度，使得激光束刚好通过通光孔；（5）把小孔光阑放置在带横向微动的滑座上，调整好小孔光阑的高度，使得光束正好通过小孔；（6）调整光电探测器的高度，使得激光束落在光电传感器中心。2观察声光调制衍射现象调节激光束的亮度，使在象屏中心有明晰的光点呈现，此即为声光调制的0级光斑；打开声光调制电压，此时以80MHz为中心频率的超声波
8、开始对声光晶体进行调制；微调载物平台上声光调制器的转向，以改变声光调制器的光束入射角，即可出现因声光调制而出现的衍射光斑；仔细调节光束对声光调制器的角度，当+1级（或-1级）衍射光最强时，声光调制器即运转在布拉格条件下的偏转状态。注：布拉格衍射一级衍射达到极值的条件是：1）控制电压为一特定的值；2）入射激光必须以特定的角度布拉格角入射。3观察交流信号调制特性让一级衍射光点进入传感器。打开信号发生器，输入交流的正弦波信号。加法器把直流偏压和信号发生器的交流电压叠加在一起输出到线性声光调制器上，在示波器上可看到被调制的半导体激光的正弦波。改变直流偏压的大小或增加信号发生器的信号强度，观察输出波形的调制特性。特别注意波形失真阈值和具体波形上下失真情况。六、数据处理本实验测量数据不多，完成实验报告时请详细分析描述实验中观察到的现象，特别是调制波形失真情况细节。七、注意事项1.声光晶体易碎，潮湿环境容易损坏，操作时注意不要损坏。2.激光不要长时间直接照射光电探测器。八、思考题1如果晶体里面只有行波，能出现稳定的干涉条纹吗？声光-4
