实验二 声光调制实验 一、实验目的 1、掌握晶体声光调制的原理和实验方法。 2、观察声光调制实验现象，并测量各参数。 3、实现模拟光通讯。 二、实验仪器 光学导轨、调节滑座、激光器、声光调制器、光电探测器、声光调制实验仪信号源、示波 器 三、声光调制原理 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)，其光橱的栅距（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 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 理论分析指出，当入射角（入射光与超声波面间的夹角）B,满足以下条件时，衍射光最强。 m9=2)}-2） (1) 式中N为衍射光的级数，元、k分别为入射光的波长和波数k=红，入，与K分别为超声
9 实验二 声光调制实验 一、 实验目的 1、掌握晶体声光调制的原理和实验方法。 2、观察声光调制实验现象,并测量各参数。 3、实现模拟光通讯。 二、 实验仪器 光学导轨、调节滑座、激光器、声光调制器、光电探测器、声光调制实验仪信号源、示波 器 三、 声光调制原理 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。 声光介质 声波吸收器 衍射光 入射光 射频信号 换能器 声波 i d B 图 1 声光调制的原理 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。 s s i N k K N N 4 2 2 2 sin （1） 式中 N 为衍射光的级数， 、k 分别为入射光的波长和波数 2 k ，s 与 K 分别为超声
波的波长和波数K=2红 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： sm4-盟 (2) 式中F与D,分别为超声波的频率与速度，入为光波的波长。 当满足入射角9，较小，且日，=0。的布拉格衍射条件下，由（1)式可知，此时0，* 2k 并有最强的正一级（或负一级）的衍射光呈现。 入射（掠射）角日，与衍射角日之和称为偏转角0。（参见图1），由(2)式： 8-9+8-2%资号民 (3) 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： (4) 四、实验装置与仪器 图2所示为声光调制实验仪的装置图。 GCSGT-A声光调制实验仪 接收光法指示 载波电压指示 载波频率指示 现制监视 MHz 外调入 电源 解调输出 解词幅度 载波幅度 载波频率 调制度 载波选焊 地址：武汉市东湖高新区光谷大道111号光谷芯中心科技园电话：027-59355370传真：027-59355371 图2声光调制仪装置图 10
10 波的波长和波数 s K 2 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： s F Sin 2 （2） 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，此时 k K B 2 ， 并有最强的正一级（或负一级）的衍射光呈现。 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： s s d i B B F k K V 2 （3） 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： d s F V （4） 四、 实验装置与仪器 图 2 所示为声光调制实验仪的装置图。 图 2 声光调制仪装置图
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。 光电接收 CCD德号输出 (扩展用) CCD线阵H 激光器 声光品体 光电倍号 CCD信号 解调输出 解调输出 主控单元 超声载波信号源 激光电源 我波须率指示 我波幅度指示 外接调制信号 或音频信号 测制信号源 接收光强指示 解调波 调制波 图3声光调制实验系统框图 (1)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。 (2)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。 调制监视 接收光薰指示 戴波电压指示 敏波氛率指示 M业 外调物入 电源 解调输出 解调幅度 橡波幅度 载波系率 调创幅度 O 1- 锐波选探 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： 关一一无声光调制 2
11 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。 载波频率指示 载波幅度指示 接收光强指示 声光晶体 调制信号源 激光电源 主控单元 激光器 光电信号 解调输出 调制波 解调波 信号 解调输出 外接调制信号 或音频信号 超声载波信号源 光电接收 线阵 信号输出 （扩展用） YⅡ YⅠ 图 3 声光调制实验系统框图 （1）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。 （2）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一一使用8OMHz晶振的声光调制 I一一60~80MHz声光调制 Ⅱ一一80~100MHz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 滥光量电郑 戴波输出 一至接收暑 ▣交流电源 220Y1N 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 (3)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 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 4、解调输出 光电接收信号由“解调输出”插座输出，主控单元中的内置信号（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
12 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 （3）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 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 4、解调输出 光电接收信号由“解调输出”插座输出，主控单元中的内置信号（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) 五、实验内容 1、测试声光调制的幅度特性 2、测试声光调制的频率偏转特性。 3、测量声光调制器的衍射效率 4、测量超声波的波速 5、光通讯实验 六、实验步骤 (一)调整光路系统 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。 2、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。先将光电接收器推近激光器，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的中心点上：然后将接收器远离激光器（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。 3、将声光调制器安置于载物台上，使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。 4、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。 5、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。 6、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 Y1、Yn输入端相连。 7、将光电接收器前端的弹簧钢丝夹夹持住白色像屏。 (二)观察声光调制的偏转现象 1、将载波选择开关置于“关”的档位，调节激光束的亮度，使在像屏中心有明晰的光呈现， 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。 4、将“载波选择”开关置于I或Ⅱ的位置，观察1级光的平移变化现象。 (三)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。注：为获得较好的线性效果，应控制激光功率，不使接收光强饱和， 其接收光强指示的最大值应在5.6的读数范围内。 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，画出光强~调制电压 3
13 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） 五、实验内容 1、测试声光调制的幅度特性 2、测试声光调制的频率偏转特性。 3、测量声光调制器的衍射效率 4、测量超声波的波速 5、 光通讯实验 六、实验步骤 （一）调整光路系统 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。 2、 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。先将光电接收器推近激光器，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的中心点上；然后将接收器远离激光器（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。 3、 将声光调制器安置于载物台上，使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。 4、 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。 5、 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。 6、 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。 7、 将光电接收器前端的弹簧钢丝夹夹持住白色像屏。 （二）观察声光调制的偏转现象 1、将载波选择开关置于“关”的档位，调节激光束的亮度，使在像屏中心有明晰的光呈现， 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。 4、 将“载波选择”开关置于Ⅰ或Ⅱ的位置，观察 1 级光的平移变化现象。 （三）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。注：为获得较好的线性效果，应控制激光功率，不使接收光强饱和， 其接收光强指示的最大值应在 5.6 的读数范围内。 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，画出光强～调制电压