光电技术实验_声光调制

学号：光电技术实验 声光调制

一、声光调制原理

111270025 姓名：李亚东 当声波在某些介质中传播时，会随时间与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由声波形成的位相光栅（称为声光栅），其光栅的栅距（光栅常数）即为声波波长。当一束平行光束通过声光介质时，光波就会被该声光栅所衍射而改变光的传播方向，并使光强在空间作重新分布。

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）、氧化碲等，后者为由射频压电换能器组成的超声波发生器。如图1所示为声光调制原理图。

声波吸收器衍射光idB入射光声光介质声波换能器射频信号

图1 声光调制的原理 图1 声光调制原理理论分析指出，当入射角（入射光与超声波面间的夹角）i满足以下条件时，衍射光最强。

2KsiniNNN （1） 42k2ss式中N为衍射光的级数，、k分别为入射光的波长和波数k分别为超声波的波长和波数K22，s与K

s声光衍射主要分为布拉格（Bragg）衍射和喇曼-奈斯（Raman-Nath）衍射两种类型。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。

满足布拉格衍射的条件是：

Fn Si （2）

2s

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（式中F与s分别为超声波的频率与速度，为光波的波长）

当满足入射角i较小，且 iB的布拉格衍射条件下，由（1）式可知，

K此时B ，并有最强的正一级（或负一级）的衍射光呈现。

2k入射（掠射）角i与衍射角B之和称为偏转角d（参见图1），由（2）式：

K diB2BF （3）

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。 同时由此也可求得超声波在介质中的传播速度为：

F Vs （4）

d二、仪器结构

图2 所示为声光调制实验仪的装置图。由图可见，声光调制实验系统由光路与电路两大单元组成，图3示出系统的结构框图。

激光器声光晶体光电接收线阵光电信号解调输出信号输出（扩展用）信号解调输出主控单元超声载波信号源载波频率指示激光电源载波幅度指示外接调制信号或音频信号调制信号源接收光强指示解调波调制波YⅠYⅡ图3 声光调制实验系统框图

（一）光路系统

由激光管（L）、声光调制晶体（AOM）与光电接收（R）、CCD接收等单元组装在精密光具座上，构成声光调制仪的光路系统。 （二）电路系统

除光电转换接收部件外，其余电路单元全部组装在同一主控单元之中。

图4 主控单元前面板

图4为电路单元的仪器前面板图，各控制部件的作用如下：

 电源开关 控制主电源，按通时开关指示灯亮；同时对半导体激

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光器供电

 解调输出 解调信号可送示波器显示的插座  解调幅度 用以调节解调监听与信号输出的幅度  载波幅度 用以调节声光调制的超声信号功率  载波选择 用以对声光调制超声源的选择：

关——无声光调制

80MHz——使用80MHz晶振的声光调制 Ⅰ——60～80MHz 声光调制 Ⅱ——80～100MHz 声光调制

 载波频率 用以调节声光调制的超声信号频率

 调制监视 将调制信号输出到示波器显示的插座（输出波形既可

与解调信号进行比较，也可呈现出射光的能量分布状态）

 外调输入 用于对声光调制的载波信号进行音频调制的插座（插

入外来信号时1kHz内置的音频信号自动断开）

 调制幅度 用以调节音频调制信号的大小  接收光强指示 数字显示经光电转换后光信号大小  载波电压指示 数字显示声光调制的超声信号幅度  载波频率指示 数字显示声光调制的超声信号频率

图5 控制单元后面板

图5为电路单元的仪器后面板图，板面各插座的功能如下：  交流电源 右侧下部为标准三芯电源插座，用以连接220V交流市

电，插座上方系保护电源用的熔丝

 至接收器 与光电接收器连接的接口插座  载波输出 输出超声功率至声光调制器的插座  激光器电源 供半导体激光器用的电源输出插座  解调监听 直接送有源扬声器发声的输出插座 （三）系统连接

1、光源 将半导体激光器电源线缆插入主控单元后面板的“激光

器电源”插座中（如使用He-Ne激光管，需自配电源，且其输出直流高压务需按正负极性正确连接）

2、声光调制 由声光调制器的BNC插座引出的同轴电缆插入主控单

元后面板的“载波输出”插座上

3、光电接收 将光电接收部件（位于光具座末端）的多芯电缆连接到

主控单元后面板的“至接收器”航空插座上，以便将光电接收信号送到主控单元

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4、解调输出 光电接收信号由“解调输出”插座输出，主控单元中的

内置（或外调输入）信号由“调制监视”插座输出。以上两信号可同时送入双踪示波器显示或进行比较

5、扬声器 将有源扬声器插入后面板的“解调监听”插座即可发

声，音量由有源扬声器中的音量控制旋钮控制（音量大小也与“载波幅度”与“解调幅度”旋钮有关） 三、仪器使用方法

（一）实验前的准备

1、 按图2与图3的系统组成图先在光具座的滑座上放置好激光器和光电接

收器，並安置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、光电接收等组件连接到位。 3、 光路准直：打开电源开关，接通激光电源，调节激光器尾部的旋钮，使

激光束达足够强度。先将激光器推近光电接收器 ，调节激光器架上的前后各三只夹持螺钉使激光器基本保持水平，并使激光束落在接收器塑盖的中心点上；然后将激光器远离接收器（移至导轨另一端），再次微调后面的夹持螺钉，务使光点仍保持在塑盖（光敏管接收孔）的中心位置上，以后激光器与接收器的位置不必再动。

4、 用所提供的电缆线分别将前面板的“调制监视”与“解调输出”插座与

双踪示波器的YⅠ、YⅡ输入端相连，移去接收器塑盖时，接收光强指示表应有读数。

5、 将声光调制器的透光孔置于载物平台的中心位置，用压杆将调制器初步

固定，然后使该滑座在靠近激光管附近的导轨内就位。

6、 调节载物平台的高度和转向，使激光束恰在声光调制器的透光孔中间穿

过，再用压杆将声光调制器紧固定。

7、 将光电接收器前端的弹簧钢丝夹夹持住白色像屏。 （二）实验内容

1、 观察声光调制的偏转现象

（1） 调节激光束的亮度，使在像屏中心有明晰的光点呈现，此即为

声光调制的0级光斑。

（2） 打开载波选择开关，拨至“80MHz”的档级，调节“载波幅度”

旋钮，此时80MHz的超声波即对声光介质进行调制。

（3） 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点

入射角，即可出现因声光调制而偏转的衍射光斑。当一级衍射光最强时，声光调制器即运转在布拉格条件下的偏转状态。

2、测试声光调制的幅度特性

（1）取去像屏，使激光束的0级光仍落在光敏接收孔的中心位置上。 （2）微调接收器滑座的测微机构，使接收孔横向移动到一级光的位置

（监视“接收光强指示”表使其达最大值）。

（3）调节“载波幅度”旋钮，分别读出载波电压与接收光强的大小，

光强Id/V 0.24 0.55 0.94 1.33 1.77 2.23 2.9 3.48 调制电压Um/V 0.4 0.74 1.05 1.3 1.57 1.81 2.13 2.36 3.55 4.09 4.81 5.36 5.51 5.53 5.55 5.55

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2.48 2.73 3.08 3.44 3.75 4.03 4.49 4.65 画出光

强～调制电压的关系式（Id～Um）。

在线性区（舍弃后四组数据），得光强~调制电压的关系式（Id~Um）近似为：

Id=0.5569Um+0.4740

3、显示声光调制偏转曲线

将接收器滑座横向细调到线阵CCD矩形接收孔的中间位置上，适当调整示波器使其正确呈现出0级光和次级光的声光调制偏转曲线。

上图明显可见在0级光波形两侧均出现次级光的波形。 4、观察声光调制随频率偏转现象

（1） 按测试“声光调制幅度特性”的步序，先将“载波选择”置于

“关”的位置，记下接收器滑座横向测微计在0级时的读数。

（2） 将“载波选择”开关置于Ⅰ或Ⅱ的位置，可以观察到1级光（或

多级光）的平移变化现象。

随着调制频率的增大，0级光和1级光的间距逐渐增大，即出现1级光的平移变化现象。

5、测试声光调制频率偏转特性

（1）调节“载波频率”旋钮，微调接收器横向测微计，使其始终跟踪

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一级光的位置。分别记下载波频率指示与测微计读数（即平移距离d）。

待测得1级光和0级光点间的距离d与声光调制器到接收孔之间的距离L（由导轨面上标尺读出）后，由于L＞＞d，即可求出声光调制的偏转角：

d d

L（2） 画出偏转角——调制频率的关系曲线（θd～F）。

（3） 测得各调制频率F值所对应的衍射光强Id，画出衍射光强～调制

频率的关系曲线（Id～F），该曲线中的Id峰值Idmax应与中心频率相对应，而其与下降3dB所对应的频率差即为声光调制器的带宽。 载波频率F/MHz 58.9 67.8 74.3 85.1 92.1 98.4 103.8 测微计读数d/mm 8.313 7.851 7.461 6.827 6.466 5.597 5.227 Δd/mm 0.37 1.239 1.6 2.234 2.624 3.086 偏转角 1.03 3.44 4.44 6.21 7.29 8.57 θd(=d/L)/10^-3rad 光强I/V 5.6 5.62 5.61 5.63 5. 5.6 5.56 载波电压U/V 1.76 2.03 2.07 1.85 1. 1.56 1.46 声光调制器到接收孔之间的距离L/cm 59.2-23.2 = 36 θd~F的关系曲线如上图，可知其关系式近似为：

θd=0.1950F-11.781

6、测量声光调制器的衍射效率

 衍射效率η定义为：dmax

o即最大衍射光强Idmax与0级光强I0之比，分别测得最强衍射光与0级光

的光强值，其比值即为衍射效率。

最大衍射光强Idmax=5.V，0级光强I0=5.74V，得衍射效率：

η=Idmax/I0=98.26%

7、测量超声波的波速

将超声波频率F、偏转角d与激光波长各值代入（4）式，即可计算出超声波在介质中的传播速度。

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Vs=Fλ/θd=λ/(Δθd/ΔF)=630/0.1950=3230.8m/s 以上算式单位已转换相消 λ范围为630-680nm，此处取630nm 以上算得的速度值在查资料所得的超声波速度值范围之内，这说明实验测得的数据有效。

8、声光调制与光通讯实验演示

将音频信号（来自广播收音机、录音机、CD机等音源）输入到本机的“外调输入”插座，将扬声器插入主控单元后面板的“解调监听”插座，打开载波选择开关至80MHz档位，适当调节载波幅度与解调幅度即可使扬声器播放出音响节目。

一开始扬声器只发出很大的噪声，根本听不到有音乐的输出。后来经过的一定的调整，扬声器开始能播放出音乐，但是仍有较大的噪声甚至盖过音乐音量，同时示波器上也明显可见有较大的噪声信号。我们分析一方面可能由于环境噪声过大可能对实验有一定的影响，另一方面可能是由于仪器本身存在一些不可控的噪声干扰。

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