声光调制实验装置.doc

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1、硬件组成一套元整的声光效应实验仪配有：已安装在转角平台上的100MHz声光器件、半导体激光器、100MHz功率信号源、LM601 CCD光强分布测量仪及光具座。每个器件都带有?10的立杆，可以安插在 通用光具座上。在终端，如果用示波器进行实验，则构成了示波器型S02000;如果用计算机进行实验，则构成了微机型 SO2000 （微机型SO2000还需配备USB100数据采集盒及工作软件）。1. 声光器件（声速V二3632m/s,介质折射率 n二2.386）声波前进方向转角平台 旋转手轮声光器件的结构示意图如图1所示。它由声光介质、压电换能器吸声材料声光介质光波前进方压电换能器和吸声材料组成器件的

2、结构本实验采用的声光器件中的声光介质为钼酸铅，吸声材料的作用 是吸收通过介质传播到端面的超声波以建立超声行波。 将介质的端面 磨成斜面或成牛角状，也可达到吸声的作用。压电换能器又称超声发 生器，由妮酸锂晶体或其它压电材料制成。 它的作用是将电功率换成 声功率，并在声光介质中建立起超声场。压电换能器既是一个机械振 动系统，又是一个与功率信号源相联系的电振动系统，图或者角说是功率 信号源的负载。为了获得最佳的电声能量转换效率， 换能器角平阻抗与 信号源内阻应当匹配。声光器件有一个衍射效率最大的工作频率， 此 频率称为声光器件的中心频率，记为fc。对于其它频率的超声波，其 衍射效率将降低。规定衍射效

3、率（或衍射光的相对光强）下降3db（即衍射效率降到最大值的1/ 2 ）时两频率间的间隔为声光器件的带宽声光器件安装在一个透明塑料盒内，置于转角平台上，见图2。盒上有一插座，用于和功率信号源的声光插座相连。 透明塑料盒两端 各开一个小孔，激光分别从这两个孔射入和射出声光器件，不用时用贴纸封住以保护声光器件。旋转转角平台的旋转手轮可以转动转角平 台，从而改变激光射入声光器件的角度。2. 功率信号源S02000功率信号源专为声光效应实验配套，输出频率范围为 80120MHz,最大输出功率1W。面板上的各输入/输出信号和表头含 义如下： 等幅/调幅:做基本的声光衍射实验时，要打在“等幅”位置，否则 信

4、号源无输出；做模拟通信实验时，要打在“调幅”位置。调制：输入信号插座。等幅/调幅开关处于“调幅”位置时，此位置 接上“模拟通信发送器”，从“调制”端口输入一个 TTL电平的 数字信号，就可以对声功率进行幅度调制，频率范围020KHz。 调制波的解调可用光电池加放大电路组成的 “光电池盒”来实现。 具体方法是，移去CCD光强分布测量仪，安置上“光电池盒”， “光电池盒”再与“模拟通信接收器”相连。将 1级衍射光对准 “光电池盒”上的小孔，适当调节半导体激光器的功率，就可以 用喇叭或示波器还原调制波的信号， 进行模拟通信实验。模拟通 信收发器的介绍见下文。声光:输出信号插座。用于连接声光器件，将功

5、率信号源的电信号传 入声光器件，经压电换能器转换为声波后注入声光介质。测频：输出信号插座。接频率计，用于测量功率信号源输出信号的频 率。频率旋钮：用于改变功率信号源的输出信号的频率，可调范围 80120MHz。逆时针到底是80MHz，顺时针到底是120MHz。功率旋钮:用于调节功率信号源的输出功率，逆时针减小，顺时针变 大。面板上的毫安表读数作功率指示用，读数值X10约等于功率毫瓦数。*使用时，为保证声光器件的安全，不要长时间处于 功率最大位置！3. CCD光强分布测量仪：其核心是线阵CCD器件。CCD器件是一 种可以电扫描的光电二极管列阵，有面阵（二维）和线阵（一维）之分。 LM601/50

6、1 CCD光强仪所用 的是线阵CCD器件，性能参数如下表。LM601/501 CCD 光强仪机壳尺寸为 150mmx 100mmX50mm,CCD器件的光敏面至光强仪前面板型号光敏元素光敏元尺 寸光敏元中 心距光谱响应 范围光谱响应 峰值LM601S2700 个11X 11 卩 m11 m0.30.9卩 m0.56 卩 mLM6012592 个11X 11卩 m11 m0.30.9卩 m0.56 卩 mLM5012048 个14X 14 卩 m14卩m0.20.9卩 m0.56 卩 m距离为4.5mm。LM601/501 CCD光强仪后面板各插孔标记含义如下，其输出波形 见图3:“同步” ：Q

7、9头，示波器型用。启动 CCD器件扫描的触发脉冲，主 要供示波器触发用。“同步”的含意是“同步扫描”，与示波 器的触发端口相连。“信号” ：Q9头，示波器型用。CCD器件接受的空间光强分布信号的模拟电压输出端，与示波器的某一路信号端口相连。DB9插头：微机型用，连至USB100计算机数据采集盒。4. USB100计算机数据采集盒：用USB接口与计算机相连，同时以 DB15插座通过电缆线LM601/501 CCD光强仪后面板上的DB9插座 相连。采集盒上有一个12位的A/D转换器，也就是说可以把 CCD 器件上每一个光敏单元上的光强信号分成 4096个灰度等级。空间分 辨率与所使用的CCD光强仪

8、的型号有关，在11g14g之间。采 集盒对计算机要求不高，586最小配置，有USB接口就可以了。相应 的工作软件在另文中介绍。声光偏转测量声光调制测量20ms5vI同步0vIifi - Th级Pa采样1024 X 14 m2048 X 14 m2592 X 11 m5360 X 7 卩 mI0120信号光强（扫 描基线）0信号图4:示波器上的实验波形及描绘出的曲线401501601801图3: LM 601 CCD光强仪波形图二、安装和使用SO2000声光效应实验仪可完成基本声光效应实验和在此基础上 的声光模拟通信实验，这两种实验的安装、连线分别介绍如下。E 2-1声光效应实验安装图如图5所示

9、本实验中需用到下列电线或电缆：1. 光强分布测量仪到示波器：同型号2根，每根均为双Q9插头。 这两根线中，一根连接光强分布测量仪的“信号”和示波器的测 量输入通道，另一根连接光强分布测量仪的“同步”和示波器的 外触发同步通道。2. 光强分布测量仪到USB10（采集盒（微机）：1根，两端是DB15 （15芯）和DB9 （9芯）插头。用它连接 USB采集盒和CCD光强仪，再用USB线将USB采集盒与计算机相连；3. 功率信号源到转角平台上的声光器件：1根。其一头为Q9插 头，连接声光器件，一头为莲花插头，连接功率信号源的“声光” 插座，此时，功率信号源要打在“等幅”上；当使用模拟通信收 发器时，要

10、打在“调幅”上。使用过程如下：1. 完成安装后，开启除功率信号源之外的各部件的电源；2. 仔细调节光路，使半导体激光器射出的光束准确地由声光器件外 塑料盒的小孔射入、穿过声光介质、由另一端的小孔射出，照射到 CCD采集窗口上，这时衍射尚未产生（声光器件尽量靠近激光器）；3. 用示波器测量时，将光强仪的“信号”插孔接至示波器的丫轴， 电压档置0.11V/格档，扫描频率一般置 2ms/格档；光强仪的“同 步”插孔接至示波器的外触发端口，极性为“ +”。适当调节“触发 电平”,在示波器上可以看到一个稳定的类似图 4所示的单峰波形； 用计算机测量时，连接 USB采集盒和CCD光强仪，再用USB线将 U

11、SB采集盒与计算机相连。启动工作软件即可采集、处理实验波形和数据；4. 如在示波器顶端只有一直线而看不到波形，这是CCD器件已饱和 所致。可试着减弱环境光强、减小激光器的输出功率，问题就可得以 解决；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 光窗上落有灰尘。可通过转动活动马鞍座侧面的旋钮来移动 CCD光 强分布测量仪或改变光束的照射位置来解决这个问题；6. 得到满意的波形后，打开功率信号源的电源；7. 微调转角平台旋钮，改变激光束的入射角，可获得布喇格衍射或 喇曼-纳斯衍射。本实验的声光器件是为布喇格衍射条件设计制造的，并不满足喇曼-纳斯衍射条件。如有条件，最好另配一

12、套中心频率为 10MHz左右的声光器件和功率信号源，专门研究喇曼-纳斯衍射。这 里为降低成本，本实验只对喇曼-纳斯衍射作定性观察；8实际调节时，可在 CCD采集窗口前置一白纸，在纸上看到正确 的图形后再让它射入采集窗口；9. 在布喇格衍射条件下，将功率信号源的功率旋钮置于中间值，固定，旋转频率旋钮而改变信号频率,0级光与1级光之间的衍射角随 信号频率的变化而变化。这是声光偏转；10. 在布喇格衍射条件下，固定频率旋钮，旋转功率旋钮而改变信号 的强度，0级光与1级光的强度分布也随之而变，这是声光调制；布 喇格衍射的示波器实例如图6所示；11. 为了获得理想波形，有时须反复调节激光束、声光器件、C

13、CD 光强分布测量仪等之间的几何关系与激光器的功率 ；图6:布喇格衍射的0级光和1级光（示波器和微机型）E 2-2声光模拟通信实验光电池盒声光功率信号源模拟通信发送器安装图如图7所示。本实验中需用到下列电线或电缆：1. 功率信号源和转角平台上的声光器件：1根。其一头为Q9 插头，连接声光器件，一头为莲花插头，连接功率信号源的“声 光”插座，此时，功率信号源要打在“调幅”上。当做声光效 应实验时，要打在“等幅”上；2. 功率信号源和模拟通信发送器：1根。其一头为Q9插头， 接模拟通信发送器的调制插孔，另一头为 Q9插头，连接功率 信号源的调制插座；3. 模拟通信发送器和示波器：1根。其一头为Q9

14、插头，接模 拟通信发送器的示波器插座，另一头为 Q9插头，接示波器的 Y1和以Y1为同步（Y1置1v/格档）；4. 模拟通信接收器和光电池盒：由光电池盒引出一个莲花插 头，接模拟通信接收器的光电池插座；5. 模拟通信接收器和示波器：1根。其一头为Q9插头，接模 拟通信接收器的示波器插座,一头为Q9插头，接示波器的Y2 输入信号端口（ Y2置0. 1v 0.5v/格档）；使用过程如下：1. 完成安装后，开启各部件的电源；功率信号源的输出功率不要 太大；2. 仔细调节光路，使半导体激光器射出的光束准确地由声光器件外塑料盒的小孔射入、穿过声光介质、由另一端的小孔射出，仔 细调节转角平台旋钮，满足布喇格衍射，并将1级衍射光射入光电池盒的接收圆孔；3. 将模拟通信发送器的喇叭开关打在“关”上，以避免它对模拟 通信接收器还原出的音乐的干扰。此时，模拟通信接收器的扬声 器应送出模拟通信发送器的音乐；在示波器上应观察到两路信号 波形相一致或相反；4. 具体实验步骤参见实验讲义。