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。
2sinNS4KNN (1) 2k2s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:
sinBF2vs (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:
dB2BKF ksVs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;VsFd
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
ddd6mm d14.33
LDdF算出偏转角,代入式Vs中可以计算出超声波在晶Ld4、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d14.336d380usmm14.3364.70mm D1160usd4.70mmd0.01236
L380mm80106Hz650nmVs4207m/s
d0.01236F2、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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