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物理光学实验实验一声光调制器
中北大学
1、整理实验数据，画出相应的数据表格和波形图。
2、衍射光与入射光的能量分布
3、测量声光调制衍射效率
衍射光强=5.94V ，零级光强=6.05V
衍射效率=5.94÷6.05=98.18％
3、线性声光调制器由哪些部分组成？各部分的作用是什么？
声光调制由声光介质和换能器组成。
转换器：当驱动源的某种特定载波频率驱动换能器时，换能器即产生同一频率的超声波并传入声光介质。
声光介质：当超声波传入声光介质时，在介质内形成折射率变化，光束通过介质时即发生相互作用而改变光的传播方向即产生衍射。
实验总结：
通过本次声光调制器实验的过程，我明白了声光效应的基本原理以及其基本的现象和一些简单的应用。
实验之前学习并知道了声光效应的概念和基础应用，即当光通过有超声波作用的介质时，相位就要受到调制，其结果如同它通过一个衍射光栅，光栅间距等于声波波长，光束通过这个光栅时就要产生衍射，这就是通常观察到的声光效应。
根据对这个定义的初步理解，在大家的积极探讨下，我们集体完成了这个实验。
并在老师的指导下，我们做了一个观察实验，把音响和调制器连接，再把手机和调制器连接，打开手机音乐，可以通过调制器的接受光来控制声音的有无。
并通过调节光频率，发现衍射光斑和零级光斑的间距随频率的升高而增大。
本次实验是我们第一次接触物理光学实验，理解到了我们所学到的物理光学
知识在生活中的应用。
这对我们深入了解光学很有帮助。
声光调制实验一.实验目的1.理解声光作用和声光调制器的基本原理.2.掌握及调制出布拉格衍射.3.观察交流信号及音频信号调制特性.二.实验仪器可调半导体激光、声光晶体盒、声光调制电源及滑座和旋转平台.三.实验原理1.声光互作用声光互作用效应是当超声波传到声光介质内，声光介质发生形变，导致介质的光学性能产生改变，即介质的折射率发生变化的现象。
在超声波的作用下，声光介质的光学折射率发生空间周期性的变化，相当于介质内形成了一个折射率光栅，当激光通过介质是发生衍射。
声光衍射使光波在通过介质后的光学特性发生改变，即光波的传播方向，强度，相位，频率发生了改变。
2.声光器件的基本原理声光调制的工作原理：声光调制是利用声光效应将信息加载于光频载波的一种物理过程。
调制信号是以信号( 调辐) 形式作用于电- 声换能器上，电- 声换能器将相应的电信号转化为变化的超声场，当光波通声光介质时，由于声光作用，使光载波受到调制而成为“携带”信息的强度调制波。
分拉曼—纳斯型声光调制器和布拉格声光调制器。
拉曼—纳斯型声光调制器特点：工作声源频率低于 10MHz只限于低频工作，带宽较小。
布拉格声光调制器特点：衍射效率高，调制带宽较宽。
其中调制带宽是声光调制器的一个重要参量，它是衡量能否无畸变地传输信息的一个重要指标，它受布拉格带宽的限制。
对于给定入射角和波长的光波，只有一个确定的频率和波矢的声波才能满足布拉格条件。
当采用有限的发散光束和声波场时，波束的有限角将会扩展，因此，在一个有限的声频范围内才能产生布拉格衍射。
3.拉曼—纳斯衍射和布拉格衍射（1）布拉格衍射当声波频率较高，声波作用长度较大，而且光束与声波波面间以一定的角斜入射时，光波在介质中要穿过多个声波面，故介质具有“体光栅”的性质。
当入射光与声波面间夹角满足一定条件时，介质内各级衍射光会相互干涉，各高级次衍射光将互相抵消，只出现0 级和+1 级或（-1 级）（视入射光的方向而定）衍射光，即产生布拉格衍射。
实验一电光调制一、实验目的：1.了解电光调制的工作原理及相关特性；2.掌握电光晶体性能参数的测量方法；二、实验原理简介：某些光学介质受到外电场作用时，它的折射率将随着外电场变化，介电系数和折射率都与方向有关，在光学性质上变为各向异性，这就是电光效应。
电光效应有两种，一种是折射率的变化量与外电场强度的一次方成比例，称为泡克耳斯（Pockels）效应；另一种是折射率的变化量与外电场强度的二次方成比例，称为克尔（Kerr）效应。
利用克尔效应制成的调制器，称为克尔盒，其中的光学介质为具有电光效应的液体有机化合物。
利用泡克耳斯效应制成的调制器，称为泡克耳斯盒，其中的光学介质为非中心对称的压电晶体。
泡克耳斯盒又有纵向调制器和横向调制器两种，图1是几种电光调制器的基本结构形式。
图1：几种电光调制器的基本结构形式a) 克尔盒 b) 纵调的泡克耳斯盒 c) 横调的泡克耳斯盒当不给克尔盒加电压时，盒中的介质是透明的，各向同性的非偏振光经过P后变为振动方向平行P光轴的平面偏振光。
通过克尔盒时不改变振动方向。
到达Q时，因光的振动方向垂直于Q光轴而被阻挡（P、Q分别为起偏器和检偏器，安装时，它们的光轴彼此垂直。
），所以Q没有光输出；给克尔盒加以电压时，盒中的介质则因有外电场的作用而具有单轴晶体的光学性质，光轴的方向平行于电场。
这时，通过它的平面偏振光则改变其振动方向。
所以，经过起偏器P产生的平面偏振光，通过克尔盒后，振动方向就不再与Q光轴垂直，而是在Q光轴方向上有光振动的分量，所以，此时Q就有光输出了。
Q的光输出强弱，与盒中的介质性质、几何尺寸、外加电压大小等因素有关。
对于结构已确定的克尔盒来说，如果外加电压是周期性变化的，则Q的光输出必然也是周期性变化的。
由此即实现了对光的调制。
泡克耳斯盒里所装的是具有泡克耳斯效应的电光晶体，它的自然状态就有单轴晶体的光学性质，安装时，使晶体的光轴平行于入射光线。
因此，纵向调制的泡克耳斯盒，电场平行于光轴，横向调制的泡克耳斯盒，电场垂直于光轴。
GCS-DSTZ声光调制实验
声光调制实验
用途：
声光效应是指光通过某一受到超声波扰动的介质时发生衍射现象，这种现象是光波与介质中声波相互作用的结果。
声光效应为控制激光束的频率、方向和强度提供了一个有效的手段。
利用声光效应制成的声光器件，如声光调制器、声光偏转器、和可调谐滤光器等，在激光技术、光信号处理和集成光通讯技术等方面有着重要的应用。
基本原理：
当压电换能器产生的超声波信号在介质中传播时，会在介质中产生周期性应变场，使介质的光学参数（例如折射率）产生周期性的变化，形成体光栅。
当激光束以布拉格角度通过光栅时，衍射光能量相对集中于一级衍射波中，称为布拉格衍射。
当外加文字、图像或其它信号输入换能器驱动电源的调制接口端时，衍射光光强将随此信号变化，从而达到控制激光输出特性的目的。
当声－光作用距
离较短时，形成多级衍射光，称拉曼－纳斯衍射。
实验目的：
(1)了解声光效应的原理。
(2)了解拉曼－纳斯衍射和布拉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。
(4)完成模拟通信实验仪器的安装及调试。
知识点：
声光效应、布拉格衍射、体光栅、拉曼－纳斯衍射、声光调制。
原理示意图：
技术指标
主要配置。
实验1：光偏振性实验
光偏振性实验实验数据表（1）
其中：=,=5.57 下图（1）为上述表（1）测试光强与计算光强的对比图，由图可以很好说明光的偏振光强符合马吕斯定律
图（1）测试光强与计算光强对比图
实验4：声光调制的幅度特性
由数据表可绘制下图：
光强—调制电压关系曲线图
实验7：声光调制频率偏转特性
数据记录与处理表
零级光位置=9.756mm
F为调制频率
为一级光位置
一级光与零级光距离
声光调制偏转角
为衍射光强
偏转角—调制频率关系曲线图
从图中可以看出偏转角—调制频率呈线性关系
由线性回归分析可得：-0.00164+0.000137*F （1）下图为衍射光强与调制频率的关系曲线图
实验8：测量声光调制器的衍射效率
=1.01/3.67=27.5％
实验9：测量超声波的波速
由公式（1）可得
声速：=4744m/s
其中：λ。
实验一 声光调制实验早在本世纪30年代就开始了声光衍射的实验研究。
60年代激光器的问世为声光衍射现象的研究提供了良好的光源，促进了声光效应理论和应用研究的迅速发展。
声光效应为控制激光束的频率、方向和强度提供了一个有效的手段。
利用声光效应制成的声光器件，如声光调制器、声光偏转器和可调谐滤光器等，在激光技术、光信号处理和集成光通讯技术等方面有着重要应用。
声光效应已广泛应用于声学、光学和光电子学。
近年来，随着声光技术的不断发展，人们已广泛地开始采用声光器件在激光腔内进行锁膜或作为连续器件的Q 开关。
由于声光器件具有输入电压低驱动功率小、温度稳定性好、能承受较大光功率、光学系统简单、响应时间快、控制方便等优点，加之新一代的优质声光材料的发现，使声光器件具有良好的发展前景，它将不断地满足工业、科学、军事等方面的需求。
一、实验目的1、掌握声光调制的基本原理。
2、了解声光器件的工作原理。
3、了解布拉格声光衍射和拉曼—奈斯声光衍射的区别。
4、观察布拉格声光衍射现象。
二、实验原理（一）声光调制的物理基础1、弹光效应若有一超声波通过某种均匀介质，介质材料在外力作用下发生形变，分子间因相互作用力发生改变而产生相对位移，将引起介质内部密度的起伏或周期性变化，密度大的地方折射率大，密度小的地方折射率小，即介质折射率发生周期性改变。
这种由于外力作用而引起折射率变化的现象称为弹光效应。
弹光效应存在于一切物质。
2、声光栅当声波通过介质传播时，介质就会产生和声波信号相应的、随时间和空间周期性变化的相位。
这部分受扰动的介质等效为一个“相位光栅”。
其光栅常数就是声波波长λs ，这种光栅称为超声光栅。
声波在介质中传播时，有行波和驻波两种形式。
特点是行波形成的超声光栅的栅面在空间是移动的，而驻波场形成的超声光栅栅面是驻立不动的。
当超声波传播到声光晶体时，它由一端传向另一端。
到达另一端时，如果遇到吸声物质，超声波将被吸声物质吸收，而在声光晶体中形成行波。
一、实验目的1. 理解声光调制的基本原理和过程；2. 掌握声光调制器的构造和工作原理；3. 熟悉声光调制实验的操作方法和注意事项；4. 通过实验，验证声光调制在实际应用中的效果。
二、实验原理声光调制是一种利用声波对光波进行调制的方法。
当声波在介质中传播时，会引起介质的弹性应变，导致介质的折射率发生周期性变化，从而在光波传播过程中产生衍射现象。
声光调制器正是利用这一原理，通过调节声波的频率、幅度和相位，实现对光波的调制。
三、实验仪器与设备1. 声光调制器；2. 光源；3. 光功率计；4. 信号发生器；5. 电脑及实验软件；6. 电缆线。
四、实验步骤1. 连接声光调制器、光源、光功率计、信号发生器和电脑等设备；2. 打开电脑，运行实验软件；3. 调整光源输出功率，使其达到预设值；4. 调节信号发生器的频率、幅度和相位，分别进行以下实验：（1）频率调制：观察光功率计的读数变化，分析频率调制效果；（2）幅度调制：观察光功率计的读数变化，分析幅度调制效果；（3）相位调制：观察光功率计的读数变化，分析相位调制效果；5. 记录实验数据，分析实验结果。
五、实验结果与分析1. 频率调制实验：当信号发生器的频率与声光调制器的共振频率相匹配时，光功率计的读数发生明显变化，说明频率调制效果较好。
2. 幅度调制实验：当信号发生器的幅度变化时，光功率计的读数也随之变化，说明幅度调制效果较好。
3. 相位调制实验：当信号发生器的相位变化时，光功率计的读数也随之变化，说明相位调制效果较好。
六、实验总结1. 通过本次实验，我们了解了声光调制的基本原理和过程；2. 掌握了声光调制器的构造和工作原理；3. 熟悉了声光调制实验的操作方法和注意事项；4. 验证了声光调制在实际应用中的效果。
本次实验表明，声光调制技术具有调制效果好、频率范围宽、非线性失真小等优点，在光通信、光纤传感等领域具有广泛的应用前景。
在实验过程中，我们要注意以下几点：1. 实验前要熟悉实验原理和仪器设备；2. 实验过程中要严格按照实验步骤进行操作；3. 注意安全，防止意外事故发生；4. 实验结束后，认真整理实验器材，清理实验场地。
成绩信息与通信工程学院实验报告
（操作性实验）
课程名称：物理光学
实验题目：声光调制实验指导教师：班级：学号：学生：
一、实验目的和任务
1、观察声光调制的偏转现象
2、测试声光调制的幅度特性
3、显示声光调制偏转曲线
4、观察声光调制随频率偏转现象
5、测试声光调制频率偏转特性
6、测量声光调制器的衍射效率
7、测量超声波的波速
8、声光调制与光通讯实验演示
二、实验仪器及器件
声光调制实验仪
..
图1 声光调制实验仪装置
三、实验容及原理
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
衍射光
入射光
换能器图1 声光调制原理
声波
θiθdθB
图2 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
θ满足以下条件时，衍射光最强。
..
..
⎪⎪⎭
⎫
⎝⎛=⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=s s i N k K N N λλπλλπθ2242sin （1） 式中N 为衍射光的级数，λ、k 分别为入射光的波长和波数λ
π
2=k ，s λ与K 分别为超声
波的波长和波数s
K λπ
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 υλθ2=
B （2） （式中F 与s υ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i θ较小，且 B i θθ=的布拉格衍射条件下，由（1）式可知，此时k
K
B 2≈θ ，并有最强的正一级（或负一级）的衍射光呈现。
入射（掠射）角i θ与衍射角B θ之和称为偏转角d θ（参见图1），由（2）式： s
s B B i d F k K V 2λλλθθθθ===
=+= （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 θλ
=V （4）
四、实验步骤
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，画出光强～
调制电压的关系式（I d ～U m ）。
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。
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。
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：
L d d ≈θ
（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I
d
，画出衍射光强～调制频率的关系曲
线（I
d ～F），该曲线中的I
d
峰值I
dmax
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。
6、测量声光调制器的衍射效率
衍射效率η定义为：
即最大衍射光强I
dmax 与0级光强I
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。
7、测量超声波的波速
将超声波频率F、偏转角
d
θ与激光波长λ各值代入（4）式，即可计算出超声波在介质中的传播速度。
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。
五、实验测试数据表格记录
图3 布拉格衍射光斑
..
..
图4 拉曼衍射光斑
表 1 声光调制数据
载波电压U/V 0.13 0.19 0.25 0.31 0.41 0.50 0.65 0.87 0.92 调制光强I/V
0.67
0.98
1.34
1.64
2.32
2.45
3.32
4.05
5.00
六、实验数据分析及处理
一级光和二级光点间的距离d=2.0mm 声光调制器到接受孔之间的距离L=46.5cm 声光调制器的偏转角L
d
d ≈
θ=0.4 衍射效率=5.0/6.02=0.83
超声波的波速d
s F θλ
=
V = 5500
图5 声光调制特性曲线
七、结论与感悟（或讨论）
声光调制是利用声光效应将信息加载于光频载波上的一种物理过程。
由于声光作用，使光波通过声光介质时，光载波受到调制而成为“携带”信息的强度调制波。
改变调制偏转角，可以看到布拉格衍射和拉曼衍射两种光斑的特点。
通过本次实验，掌握了声光调制的方法并加深了对理论知识的理解。
..。
