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声光调制实验

2021-03-31 来源:客趣旅游网


声光调制实验

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. 测量声光偏转和声光调制曲线以及声速的计算。

二、实验仪器

SGT-1型声光效应实验仪

三、实验原理

当声波在某些介质中传播时,会随时间和空间的周期性的弹性应变,造成介质密度(或光折射率)的周期性变化。介质随超声应变与折射率变化的这一特性,可使光在介质中传播时发生衍射,从而产生声光效应;存在于超声波中的此类介质可视为一种有声波形成的位相光栅(称为声光栅),其光栅的栅距(光栅常数)以为声波波长。当一束平行光束通过声光介质时,光波就会被该光栅所衍射而改变光的传播方向,并使光强在空间做重新分布。

声光器件由声光介质和换能器两部分组成。前者常用的有钼酸铅(PM)、氧化锑等,后者为有射频压电换能器组成的超声波发生器。

理论分析指出,当入射角(入射光与超声波面间的夹角)θ满足一下条件,衍射最强。

2sinNS4KNN (1) 2k2s式中N为衍射光的级数,λ,k分别为入射光的波长和波数k=2π/λ, λs,与K分别为超

声波的波长和波数K=2π/λs

声光衍射主要分为布拉格衍射和喇曼-奈斯衍射两种。

前者通常声频较高,声光作用程较长;后者则反之。由于布拉格衍射效率较高,故一般声光器件主要工作在仅出现一级光(N=1)的布拉格区。

满足布拉格衍射条件是:

sinBF2vs (2)

(式中的F和Vs分别为超声波的频率与速度,λ为光波的波长) 当满足入射角θ较小,且θ=

B的布拉格衍射条件下,由(1)式可知,此时B≈K/2k,

并有最强的正一级(或负一级)的衍射光呈现。

入射角θ与衍射角B之和称为偏转角d,由(2)式:

dB2BKF ksVs由此可见,当声波频率F改变时,衍射光的方向亦将随之线性地改变。 同时由此也可求超声波在介质中的传播速度;VsFd

式中,F为超声波频率(实验中为80MHz等),λ为激光波长(实验中激光波长λ=650nm),

d为偏转角,可以通过实验测试。因此,只要测出偏转角d就可以计算出声速Vs。

四、实验步骤

1、实验前的准备;光路调节

2、观察声光调制的衍射现象

调节激光束的亮度,使在接收屏上有清晰的光点呈现;

打开声光调制电压至最大,此时以80MHz为中心频率的超声波开始对声光晶体 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(或者-1级)衍射光最强时,声 光调制器运转在布拉格衍射条件下;

此时通过调节小孔光缆的横向微调旋钮时光强较强的+1或-1级衍射光通过小。

孔光阑,调节光电探测器的横向微调旋钮,使衍射光落在光电探测器的中心,以便达 到最佳接收效果。

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θ入射。 3、用CCD测试声光调制中的偏转角

ddd6mm d14.33

LDdF算出偏转角,代入式Vs中可以计算出超声波在晶Ld4、声速的计算

得到d 和L后,通过计d体中传播的速度Vs。

5、测量偏转角与载波频率之间的关系

改变载波频率,0级光斑与1级光斑之间的距离也随之而改变,这样可以测出偏转角与载波频率之间的关系,画出偏转角---调制频率的关系曲线(d~F)。

五、实验数据分析

1、波速计算

测得:L=860mm-480mm=380mm d=380.0us D=1160us 得d14.336d380usmm14.3364.70mm D1160usd4.70mmd0.01236

L380mm80106Hz650nmVs4207m/s

d0.01236F2、偏转角———调制频率的曲线关系

F=(Hz) △

d=(us) d= θ=

D=1150us L=380mm

1 2 58.6 70.87

3

76.05

4 80

5 89.96

6 100.65

280 330 350 370 430 470 3.490504 4.113809 4.36313 4.612452 5.360417 5.859061 0.009186 0.010826 0.011482 0.012138 0.014106 0.015419

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