光电子学课程设计-声光调制系统设计.doc

课 程 设 计 课程名称光电子学课程设计题目名称声光调制系统设计专业班级12光信息科学与技术学生姓名学 号4指导教师目 录摘 要 1 1 引 言21 声光调制基础31.1 弹光效应31.2 声光衍射31.3 声光栅41.4 声光效应63 实验部分73.1 声光调制的实现过程73.2 声光调制的实验结果84 心得体会9参 考 文 献10蚌埠学院本科课程设计 声光调制系统设计摘 要：自从激光问世以来，声光调制已被大量运用到各个领域，从光强调制、频率调制圣光偏转。光信号处理以及光通讯等。激光器的诸多优点使其非常适合应用与加工行业，目前激光器较少采用声光调制，其脉冲宽度、放电方式和脉冲强度较难满足某些生产领域中的需要。论文首先对声光调制的背景、应用现状及未来发展趋势进行了介绍；紧接着介绍了声光调制器的结构及重要参数，两种衍射方式：拉曼-奈斯衍射和布拉格衍射；最后进行实验，对实验的目的、原理、仪器以及步骤做了详细的说明。实验中通过声速测量、衍射效率测量以及语音传输这三组实验，展示了声光调制的原理机制、两种衍射的效率以及传输的效果。关键字：声光调制，衍射方式，声光调制器- 1 -1 引 言早在本世纪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、科学发展需要。- 10 -1 声光调制基础1.1 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。1.2 声光衍射根据声波频率的高低和声光作用的超声场长度的大小的不同，声光效应可以分为拉曼奈斯声光(Ram-Nath)衍射和布拉格(Bragg)衍射两种。（1）区分拉曼奈斯衍射和布拉格衍射的定量标准：从理论上说，拉曼奈斯衍射和布拉格衍射是在改变声光衍射参数时出现的两种极端情况。影响出现两种衍射情况的主要参数是声波长、光束入射角及声光作用距离L。为了给出区分两种衍射的定量标准，特引入参数G来表征：qp 当L小且s大(G1)时，为布拉格衍射。为了寻求一个实用标准，即当G参数大到一定值后，除0级和+1级其他各级衍射光的强度都很小，可以忽略不计。达到这种情况时即认为已进入布拉格衍射区。经过多年的实践，现已普遍采用下列定量标准： (a)G4时为布拉格衍射区(b)G时为拉曼奈斯衍射区为了便于应用，又引入量，则。因此，上面的定量标准可以写成：(a)L2L0为布拉格衍射区 (b)LL0/2为拉曼奈斯衍射区 式中，称为声光器件的特征长度。引入了参数可使器件的设计十分简便。由于，故不仅与介质的性质（和n）有关，而且与工作条件（和）有关。事实上，反映了声光互作用的主要特征。产生条件上的区别：表1拉曼-奈斯衍射和布拉格衍射产生条件上的区别拉曼-奈斯衍射 布拉格衍射声光作用长度较短 声光作用长度较长超声波的频率较低 超声波的频率较高光波垂直于声场传播的方向 光束与声波波面间以一定的角度斜入射此时的声光晶体相当于一个“平面光栅” 此时的声光晶体相当于一个“立体光栅”现象上的区别: （1）拉曼-奈斯声光衍射拉曼-奈斯声光衍射的结果，使光波在原场分成一组衍射光，它们分别对应于确定的衍射角m即传播方向）和衍射强度，这一组光是离散型的。各级衍射光对称的分布在零级衍射光两侧，且同级次衍射光的强度相等。这是拉曼-奈斯衍射的主要特征之一。另外，无吸收时衍射光各级极值光强之和等于入射光强，即光功率是守恒的。 （2）布拉格声光衍射如果声波频率较高，且声光作用长度较大，此时的声扰动介质也不再等效于平面位相光栅，而形成了立体位相光栅。这时，相对声波方向以一定角度入射的光波，其衍射光在介质内相互干涉，使高级衍射光相互抵消，只出现0级和1级的衍射光，简言之，我们在屏上观察到的是0级光斑和+1级光非常亮或者0级光斑和-1级光很亮，而其它各级的光强却非常弱。1.3 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s，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。由于机械波的压缩和伸长作用，则在声光晶体中形成行波式的疏密相间的构造，也就是行波形式的光栅。当超声波传播到声光晶体时，它由一端传向另一端。如果遇见反声物质，超声波将被反声物质反射，在返回途中和入射波叠加而在声光晶体中形成驻波。由于机械波压缩伸长作用，在声光晶体中形成驻波形式的疏密相同的构造，也就是驻波形式的光栅。首先考虑行波的情况，设平面纵声波在介质中沿x方向传播，声波扰动介质中的质点位移可写成：是质点振动的振幅，是声波频率，是声波波矢量的模。相应的应变场是对各向同性介质，折射率分布为 声行波在某一瞬间是对介质的作用情况如图1所示。图中密集区（黑）表示介质受到压缩，密度增大，相应的折射率也增大；稀疏区（白）表示介质密度变小，折射率减小。介质折射率n增大或减小呈现交替变化，变化的周期是声波周期，同时又以声速 对于驻波的情况，考虑两个相向传播的同频声行波的叠加，质点位移可以写成 而介质折射率为： 因驻波效应(5)式中的应是(3)式的2倍。图2给出了声驻波情况下介质折射率的变化情况，其中在图中的曲线t+Ts/4和t+3Ts/4表示左、右行波。从可见，声波在一个周期之内，介质呈现两层疏密层结构，在波节处介质密度保持不变，因而在波腹处折射率每隔半个周期就变化一次。这样，作为超声光栅，交替出现和消失，其交替变化的频率为原驻波周期的二倍，即。1.4 声光效应声光效应是指光波在介质中传播时，被超声波场衍射或散射的现象。由于声波是一种弹性波，声波在介质中传播会产生弹性应力或应变，这种现象称为弹光效应。介质弹性形变导致介质密度交替变化，从而引起介质折射率的周期变化，并形成折射率光栅。当光波在介质中传播时，就会发生衍射现象，衍射光的强度、频率和方向等将随着超生场的变化而变化。声光调制就是基于这种效应来实现其光调制及光偏转的。3 实验部分3.1 声光调制的实现过程TSGMG-1/Q型高速正弦声光调制齐及驱动电源，可用在激光照排机、激光传真机、电子分色机或者其他颜色、图像处理等系统中主要技术指标：激光波长532nm工作频率150MHz衍射效率70%正弦重复频率8MHz静态透过率90%实验的电路图：实验开始前，先要正确连接声光调制器各个部分，让激光器开机先预热5-10分钟。接着调整激光器水平，固定可变光阑的高度和孔径，使出射光在近处和远处都能通过可变光阑，调整完成后将其他器件依次放入光路中。然后调整光路同轴等高，微调声光调制器的角度，使得激光束按照一定的角度入射声光调制器晶体，保证激光束穿过晶体后出现清晰的衍射光斑。3.1.1声速测量实验设备安装完备之后，调制声光调制器，使得光屏上只出现0级和+1级衍射或者只出现0级和-1级衍射，用白屏测量0到+1级或者0到-1级衍射光斑的距离a和声光晶体到白屏的距离r，代入公式计算出空气中角度，再将代入算出衍射角，将算出的衍射角代入（=532nm，=150MHz,=2.81,=1）3.1.2 衍射效率测量激光稳定输出之后用功率计测量并记录激光器的功率P，在AD端输入正弦信号，调整出激光以一定的角度入射时的拉曼-奈斯衍射，测量+1级或者-1级的衍射光功率，调整出激光以一定的角度入射时的布拉格衍射，即只有0级和+1级或者只有0级和-1级，测量+1级或者-1级的衍射光功率。然后把功率值代入公式，得出两种衍射效率，并对比这两种衍射的效率。3.1.3语音传输实验调整探测器的一维平移台，用探测器接受+1级或者-1级衍射光斑，然后将mp3与声光调制器驱动电源连接，扬声器与探测器连接，调整之后便可以听到mp3播出的音乐。3.2 声光调制的实验结果 3.2.1 拉曼奈斯衍射当超声波频率较低，光波平行于声波面入射（即垂直于声场传播方向），声光相互作用长度L较短时，产生拉曼奈斯衍射。3.2.2 布拉格衍射当声波频率较高，声光作用长度较大，而且光束与声波波面间以一定的角度斜入射时，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时，介质内各级衍射光会相互干涉，各高级次衍射光将相互抵消，只出现0级和+1级（或-1级）衍射光，即产生布拉格衍射。四、心得体会通过此次课程设计，使我更加扎实的掌握了有关声光调制方面的知识，在设计过程中虽然遇到了一些问题，但经过一次又一次的思考，一遍又一遍的检查终于找出了原因所在，也暴露出了前期我在这方面的知识欠缺和经验不足。实践出真知，通过亲自动手制作，使我们掌握的知识不再是纸上谈兵。回顾起此课程设计，至今我仍感慨颇多，从理论到实践，在这段日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，但可喜的是最终都得到了解决。实验过程中，也对团队