实验四 声光调制实验

44 实验六、磁光(声光)调制实验

[实验目的]

1. 了解法拉第效应的工作原理；

2. 掌握磁光调制器件性能参数的测量方法；

3. 了解声光调制的工作原理及相关特性；

4. 掌握声光调制器件与偏转器件性能参数的测量方法；

[实验原理]

1. 磁光调制

原来没有旋光性的透明介质，如水、铅玻璃等，放在强磁场中，可产生旋光性，这种现象称为法拉第效应。具体的现象是，把磁光介质放到磁场中，使光线平行于磁场方向通过介质时，入射的平面偏振光的振动方向就会发生旋转，转移角度的大小与磁光介质的性质、光程和磁场强度等因素有关。对于不同的介质其振动面的旋转方向不同，顺着磁场方向看，使振动面向右旋的，称为右旋或正旋介质，反之，则称为左旋或负旋介质。

ψ＝VlBcosα

式中，ψ为振动面旋转的角度， l为光程，B为磁感应强度，α为光线与磁场的夹角，V为比例常数，称费尔德常数，单位rad/Tm，它与磁光介质和入射光的波长有关，是一个表征介质磁光特性强弱的参量。

对于给定的磁光介质，振动面的旋转方向只决定于磁场方向，与光线的传播方向无关。这点是磁光介质和天然旋光介质之间的重要区别。就是说，天然旋光性物质，它的振动面旋转方向不只是与磁场方向有关，而且还与光的传播方向有关。例如，光线两次通过天然性的旋光物质，一次是沿着某个方向，另一次是与这个方向相反，观察结果，振动面并没旋转。可是磁光物质则不同，光线以相反的两个方向两次通过磁光物质时，其振动面的旋转角是叠加的。因此，在磁致旋光的情况下，使光线多次通过磁光物质可得到旋转角累加。

图7-1：磁光调制器结构简图

磁光调制器就是根据法拉第效应制成的，其结构见图67-1。将磁光介质（铁钇石榴石Y3Fe5O12或三溴化铬CrBr3）置于激磁线圈中。在它的左右两边，各加一个偏振片。安装时，使它们的光轴彼此垂直。没有磁场时，自然光通过起偏振片变为平面偏振光通过磁光介质。达到检偏振片时，因振动面没有发生旋转，光因其振动方向与检偏振片的光轴垂直而被阻挡，检偏振片无光输出。有磁场时，入射于检偏振片的偏振光，因振动面发生了旋转，检偏振片则有光输出。光输出的强弱与磁致的旋转角ψ有关。这就是磁光调制器的工作原理。

45 2. 声光调制

声波在介质中传播时，会引起介质密度（折射率）周期性的变化，可将此声波视为一种条纹光栅，光栅的栅距等于声波的波长，当光波入射于声光栅时，即发生光的衍射，这就是声光效应。声光器件是基于声光效应的原理来工作的，分为声光调制器和声光偏转器两类，它们的原理、结构、制造工艺相同，只是在尺寸设计上有所区别。声光器件的基本结构如图7-2所示，由声光介质和换能器两部分组成。常用的声光介质有钼酸铅晶体、氧化碲晶体和熔石英等。换能器即超声波发生器，它是利用压电晶体使电压信号变为超声波，并向声光介质中发射的一种能量变换器。

图7-2：声光器件的基本结构示意图

声光相互作用有两种情形：

(1)正常光声相互作用。介质的光学性质是各向同性的，介质的折射率与入射光的方向、偏振状态无关，此时，入射光的折射率、偏振状态与衍射光的折射率、偏振状态相同。可从各向同性介质中光的波动方程出发，利用介质应变与折射率变化之间的关系，来描述声光效应，可用声光栅来说明光在介质中的衍射。

(2)反常声光相互作用。介质的折射率与入射光的方向、偏振状态有关，需要考虑介质在光学性质上的各向异性。这时，入射光的折射率、偏振状态与衍射光的折射率、偏振状态不同。此时，就不能用声光栅来说明光在介质中的衍射现象了。

目前，多数的声光器件都是利用正常声光相互作用原理来制作的，所以可用声光栅来分析。若掠射角θi＝0，即入射光平行于声光栅的栅线入射时，声光栅所产生的衍射光图案和普通光学光栅所产生的衍射光图案类似，也是在零级条纹两侧，对称地分布着各级衍射光的条纹，而且衍射光强逐级减弱。这种衍射称为喇曼-奈斯衍射。理论分析指出，衍射光强和超声波的强度成正比例。因此，即可利用这一原理来对入射光进行调制。调制信号如果是非电信号的话，首先要把它变为电信号，然后作用到超声波发生器上，使声光介质产生的声光栅与调制信号相对应。这时入射激光的衍射光强，则正比于调制信号的强度。这就是声光调制器的原理。

掠射角θi≠0时，一般情况下，衍射光都很弱，只有满足条件θi＝θR＝K/2k时，衍射光最强。上式称为布拉格条件。此时的衍射光是不对称的，只有正一级或负一级。衍射效率（衍射光强与入射光强之比）可接近100%。这种衍射称为布拉格衍射。掠射角θi与衍射角θd之和，也称为偏转角α。即α＝θi +θd＝2θB ≈λ/Λ＝F·λ/v式中，v和F分别为超声波在介质中的传播速度和频率。可见，偏转角正比于超声波的频率，故改变超声波的频率（实际是改变换能器上电信号的频率）即可改变光束的出射方向，这就是声光 46 偏转器的原理。声光调制和声光偏转原理示意见图7-3。

图7-3：声光调制和声光偏转原理示意图

[实验仪器]

1.实验仪器

CA9005系统控制主机 1台 一维平移台 1只

光学平台600mm x 300mm 1只 二维调整架 1只

半导体激光器 1只 支架 5只

光电探测器 1只 器件箱 1只

偏振滤波器 2只 紧固工具 1套

小型电磁铁 1只 连接线缆 1套

磁旋光晶体 1只 CCD 1只

声光调制器 1只 图像采集卡 1块

2.仪器安装光路图

(1)磁光调制

图7-4：磁光调制实验光路图

(2)声光调制 47

图7-5：声光调制实验光路图

3. 实验仪器装置图

(1)磁光调制

图7-6：法拉第效应实验装置图

(2)声光调制

图7-7：声光调制实验装置图

[实验内容及步骤]

1. 消光法测量旋光玻璃ψ～B关系曲线

a. 按图4所示结构放置各光学器件，并调节支架高度至各光学器件等高同轴。

b. 将635nm半导体激光器控制电缆连接至LDC，设置LDC工作模式为ACC，设置驱动电流Ic为30mA。

c. 将电磁铁线圈接线端子连接至功率信号源输出PSG和GND。置PSG于低压电源模式(LVS)。

d. 将Si-PD信号输出连接至PD.IN，测量时注意选择合适量程。 48 e. 将起偏器偏振方向调至与水平面平行，再将检偏器调至与其正交，记录检偏器刻度。

f. 从0开始设置励磁电压V，将检偏器调至输出光强极小，记录检偏器角度θ。

g. 0至15V每隔1V测一个点，记录相应的励磁电压V和检偏器角度θ。

h. 由励磁电压V求磁感应强度B，由θ计算偏转角ψ，作旋光玻璃ψ～B关系曲线，求其费尔德常数。（电磁铁磁感应强度与励磁电压关系为15.2mT/V）

2. 声光调制

(1) 实验装置连接

a. 按图7-55所示结构放置各光学器件，注意使声光调制器与摄像头之间有足够的距离。调节各支架高度至各光学器件等高同轴。

b. 将635nm半导体激光器控制电缆连接至LDC，设置LDC工作模式为ACC，设置驱动电流Ic为20mA。

c. 摄像头不需镜头。连接摄像头信号输出至视频捕捉卡输入端AV1，接通摄像头电源。

d. 运行图像测试软件。

e. 调节声光调制器位置和角度，使得激光光束穿过声光调制器中心，并入射到摄像头CCD器件中心。调节图像亮度、对比度等参数至最佳状态。

f. 连接函数信号发生器输出SIG至声光调制器射频信号输入端，此信号经三通连接至示波器CH1，置示波器与CH1同步。

(2)声光调制器I~V关系曲线测量

a. 设置SIG工作模式(SIGWAV)为正弦波(SIN)，信号幅度调至最大。观察示波器，在10到30MHz范围内，细调SIG输出频率至有最大输出幅度处。

b. 调节SIG输出信号幅度，峰峰值(Vpp)从0V到最大幅度每隔1V测一个点，记录相应的信号幅度V和衍射光斑强度I

c. 作声光调制器I~V关系曲线

(3)声光调制器θ~f关系曲线测量

a. 将射频信号幅度调至最大。

b. 使用示波器测量频率，从15到25MHz每隔0.5MHz测一个点，记录相应的信号频率f和两侧衍射光斑位置dL、dR 。

c. 由衍射光斑位置dL、dR求衍射光斑角度，作声光调制器θ~f关系曲线。

附：CA9005主机功能简介及操作说明(详见实验二)