聲光調(diào)制實驗裝置

1、一、 硬件組成一套完整的聲光效應實驗儀配有：已安裝在轉角平臺上的100MHz聲光器件、半導體激光器、100MHz功率信號源、LM601 CCD光強分布測量儀及光具座。每個器件都帶有ø10的立桿，可以安插在通用光具座上。在終端，如果用示波器進行實驗，則構成了示波器型SO2000；如果用計算機進行實驗，則構成了微機型SO2000（微機型SO2000還需配備USB100數(shù)據(jù)采集盒及工作軟件）。1 聲光器件(聲速V = 3632m/s,介質折射率n = 2.386)吸聲材料聲光介質壓電換能器圖1：聲光器件的結構聲波前進方向光波前進方向轉角平臺旋轉手輪轉角平臺聲光器件聲光器件的結構示意圖如圖1

2、所示。它由聲光介質、壓電換能器和吸聲材料組成。圖2：轉角平臺本實驗采用的聲光器件中的聲光介質為鉬酸鉛，吸聲材料的作用是吸收通過介質傳播到端面的超聲波以建立超聲行波。將介質的端面磨成斜面或成牛角狀，也可達到吸聲的作用。壓電換能器又稱超聲發(fā)生器，由妮酸鋰晶體或其它壓電材料制成。它的作用是將電功率換成聲功率，并在聲光介質中建立起超聲場。壓電換能器既是一個機械振動系統(tǒng)，又是一個與功率信號源相聯(lián)系的電振動系統(tǒng)，或者說是功率信號源的負載。為了獲得最佳的電聲能量轉換效率，換能器的阻抗與信號源內(nèi)阻應當匹配。聲光器件有一個衍射效率最大的工作頻率，此頻率稱為聲光器件的中心頻率，記為。對于其它頻率的超聲波，其衍射效

3、率將降低。規(guī)定衍射效率（或衍射光的相對光強）下降3db（即衍射效率降到最大值的1/）時兩頻率間的間隔為聲光器件的帶寬。聲光器件安裝在一個透明塑料盒內(nèi)，置于轉角平臺上，見圖2。盒上有一插座，用于和功率信號源的聲光插座相連。透明塑料盒兩端各開一個小孔，激光分別從這兩個孔射入和射出聲光器件，不用時用貼紙封住以保護聲光器件。旋轉轉角平臺的旋轉手輪可以轉動轉角平臺，從而改變激光射入聲光器件的角度。2 功率信號源SO2000功率信號源專為聲光效應實驗配套，輸出頻率范圍為80120MHz,最大輸出功率1W。面板上的各輸入/輸出信號和表頭含義如下：等幅/調(diào)幅：做基本的聲光衍射實驗時，要打在“等幅”位置，否則信

4、號源無輸出；做模擬通信實驗時，要打在“調(diào)幅”位置。調(diào)制：輸入信號插座。等幅/調(diào)幅開關處于“調(diào)幅”位置時，此位置接上“模擬通信發(fā)送器”，從“調(diào)制”端口輸入一個TTL電平的數(shù)字信號，就可以對聲功率進行幅度調(diào)制,頻率范圍020KHz。調(diào)制波的解調(diào)可用光電池加放大電路組成的“光電池盒”來實現(xiàn)。具體方法是，移去CCD光強分布測量儀，安置上“光電池盒”，“光電池盒”再與“模擬通信接收器”相連。將1級衍射光對準“光電池盒”上的小孔，適當調(diào)節(jié)半導體激光器的功率，就可以用喇叭或示波器還原調(diào)制波的信號，進行模擬通信實驗。模擬通信收發(fā)器的介紹見下文。聲光：輸出信號插座。用于連接聲光器件，將功率信號源的電信號傳入聲光

5、器件，經(jīng)壓電換能器轉換為聲波后注入聲光介質。測頻：輸出信號插座。接頻率計，用于測量功率信號源輸出信號的頻率。頻率旋鈕：用于改變功率信號源的輸出信號的頻率，可調(diào)范圍80120MHz。逆時針到底是80MHz，順時針到底是120MHz。功率旋鈕：用于調(diào)節(jié)功率信號源的輸出功率，逆時針減小，順時針變大。面板上的毫安表讀數(shù)作功率指示用，讀數(shù)值×10約等于功率毫瓦數(shù)。*使用時，為保證聲光器件的安全，不要長時間處于功率最大位置！3CCD光強分布測量儀：其核心是線陣CCD器件。CCD器件是一種可以電掃描的光電二極管列陣，有面陣（二維）和線陣（一維）之分。LM601/501 CCD光強儀所用的是線陣CC

6、D器件，性能參數(shù)如下表。LM601/501 CCD光強儀機殼尺寸為150mm×100mm×50mm，CCD器件的光敏面至光強儀前面板距離為4.5mm。型號光敏元素光敏元尺寸光敏元中心距光譜響應范圍光譜響應峰值LM601S2700個11×11m11m0.30.9m0.56mLM6012592個11×11m11m0.30.9m0.56mLM5012048個14×14m14m0.20.9m0.56mLM601/501CCD光強儀后面板各插孔標記含義如下，其輸出波形見圖3：“同步”：Q9頭，示波器型用。啟動CCD器件掃描的觸發(fā)脈沖，主要供示波器觸發(fā)用。

7、“同步”的含意是“同步掃描”，與示波器的觸發(fā)端口相連?！靶盘枴保篞9頭，示波器型用。CCD器件接受的空間光強分布信號的模擬電壓輸出端，與示波器的某一路信號端口相連。DB9插頭：微機型用，連至USB100計算機數(shù)據(jù)采集盒。4USB100計算機數(shù)據(jù)采集盒：用USB接口與計算機相連，同時以DB15插座通過電纜線LM601/501 CCD光強儀后面板上的DB9插座相連。采集盒上有一個12位的A/D轉換器，也就是說可以把CCD器件上每一個光敏單元上的光強信號分成4096個灰度等級。空間分辨率與所使用的CCD光強儀的型號有關，在11m14m 之間。采集盒對計算機要求不高，586最小配置，有USB接口就可以

8、了。相應的工作軟件在另文中介紹。20ms0v5v信號信號光強環(huán)境光強401 : 1024×14m501 : 2048×14m601 : 2592×11m801 : 5360×7m5v0信號光強（掃描基線）采樣同步圖3： LM601 CCD光強儀波形圖fl - fH聲光偏轉測量0級 1級f聲光調(diào)制測量0級 1級 2級IPaI1I0I2圖4：示波器上的實驗波形及描繪出的曲線二、安裝和使用SO2000聲光效應實驗儀可完成基本聲光效應實驗和在此基礎上的聲光模擬通信實驗，這兩種實驗的安裝、連線分別介紹如下。2-1 聲光效應實驗信號同步聲光功率信號源激光器轉角平臺光

9、強分布測量儀YX示波器頻率計聲光功率信號源激光器轉角平臺光強分布測量儀頻率計USB采集盒接計算機圖5：聲光效應實驗安裝圖（上為示波器型，下為微機型）安裝圖如圖5所示。本實驗中需用到下列電線或電纜：1 光強分布測量儀到示波器：同型號2根，每根均為雙Q9插頭。這兩根線中，一根連接光強分布測量儀的“信號”和示波器的測量輸入通道，另一根連接光強分布測量儀的“同步”和示波器的外觸發(fā)同步通道。2 光強分布測量儀到USB100采集盒（微機）：1根，兩端是DB15（15芯）和DB9（9芯）插頭。用它連接USB采集盒和CCD光強儀，再用USB線將USB采集盒與計算機相連；3 功率信號源到轉角平臺上的聲光器件：1

10、根。其一頭為Q9插頭，連接聲光器件，一頭為蓮花插頭，連接功率信號源的“聲光”插座，此時，功率信號源要打在“等幅”上；當使用模擬通信收發(fā)器時，要打在“調(diào)幅”上。使用過程如下：1完成安裝后，開啟除功率信號源之外的各部件的電源；2仔細調(diào)節(jié)光路，使半導體激光器射出的光束準確地由聲光器件外塑料盒的小孔射入、穿過聲光介質、由另一端的小孔射出，照射到CCD采集窗口上，這時衍射尚未產(chǎn)生（聲光器件盡量靠近激光器）； 3用示波器測量時，將光強儀的“信號”插孔接至示波器的Y軸，電壓檔置0.11V/格檔，掃描頻率一般置2ms/格檔；光強儀的“同步”插孔接至示波器的外觸發(fā)端口，極性為“+”。適當調(diào)節(jié)“觸發(fā)電平”，在示波

11、器上可以看到一個穩(wěn)定的類似圖4所示的單峰波形；用計算機測量時，連接USB采集盒和CCD光強儀，再用USB線將USB采集盒與計算機相連。啟動工作軟件即可采集、處理實驗波形和數(shù)據(jù)；4如在示波器頂端只有一直線而看不到波形，這是CCD器件已飽和所致?？稍囍鴾p弱環(huán)境光強、減小激光器的輸出功率，問題就可得以解決；5如果在示波器上看到的波形不怎么光滑，有“毛刺”，大多CCD采光窗上落有灰塵?？赏ㄟ^轉動活動馬鞍座側面的旋鈕來移動CCD光強分布測量儀或改變光束的照射位置來解決這個問題；6得到滿意的波形后，打開功率信號源的電源；7微調(diào)轉角平臺旋鈕，改變激光束的入射角，可獲得布喇格衍射或喇曼-納斯衍射。本實驗的聲光

12、器件是為布喇格衍射條件設計制造的，并不滿足喇曼-納斯衍射條件。如有條件，最好另配一套中心頻率為10MHz左右的聲光器件和功率信號源，專門研究喇曼-納斯衍射。這里為降低成本，本實驗只對喇曼-納斯衍射作定性觀察；8實際調(diào)節(jié)時，可在 CCD采集窗口前置一白紙，在紙上看到正確的圖形后再讓它射入采集窗口；9在布喇格衍射條件下，將功率信號源的功率旋鈕置于中間值，固定，旋轉頻率旋鈕而改變信號頻率，0級光與1級光之間的衍射角隨信號頻率的變化而變化。這是聲光偏轉；10在布喇格衍射條件下，固定頻率旋鈕，旋轉功率旋鈕而改變信號的強度，0級光與1級光的強度分布也隨之而變，這是聲光調(diào)制；布喇格衍射的示波器實例如圖6所示

13、；11為了獲得理想波形，有時須反復調(diào)節(jié)激光束、聲光器件、CCD光強分布測量儀等之間的幾何關系與激光器的功率；圖6：布喇格衍射的0級光和1級光(示波器和微機型)2-2 聲光模擬通信實驗聲光功率信號源激光器轉角平臺YX示波器圖7：模擬通信實驗安裝圖光電池盒模擬通信接收器模擬通信發(fā)送器安裝圖如圖7所示。本實驗中需用到下列電線或電纜：1 功率信號源和轉角平臺上的聲光器件：1根。其一頭為Q9插頭，連接聲光器件，一頭為蓮花插頭，連接功率信號源的“聲光”插座，此時，功率信號源要打在“調(diào)幅”上。當做聲光效應實驗時，要打在“等幅”上；2 功率信號源和模擬通信發(fā)送器：1根。其一頭為Q9插頭，接模擬通信發(fā)送器的調(diào)制插孔，另一頭為Q9插頭，連接功率信號源的調(diào)制插座；3 模擬通信發(fā)送器和示波器：1根。其一頭為Q9插頭，接模擬通信發(fā)送器的示波器插座，另一頭為Q9插頭，接示波器的Y1和以Y1為同步（Y1置1v/格檔）；4 模擬通信接收器和光電池盒：由光電池盒引出一個蓮花插頭，接模擬通信接收器的光電池插座；5 模擬通信接收器和示波器：1根。其一頭為Q9插頭，接模擬通信接收器的示波器插座，一頭為Q9插頭，接示波器的Y2輸入信號端口（Y2置0.1v 0.5v/格檔）；使用過程如下：1 完成安裝后，開啟各部件的電源；