聲光調(diào)制器實(shí)驗(yàn)樣機(jī)設(shè)計(jì)

喻 凌

(長(zhǎng)江師范學(xué)院物理學(xué)與電子工程學(xué)院,重慶 408100)

0 引 言

近年來,隨著聲光技術(shù)的不斷發(fā)展,研究人員已開始采用聲光器件在激光腔內(nèi)進(jìn)行鎖膜或作為連續(xù)器件的Q開關(guān)[1,2].由于聲光器件具有輸入電壓低驅(qū)動(dòng)功率小、溫度穩(wěn)定性好、能承受較大光功率、光學(xué)系統(tǒng)簡(jiǎn)單、響應(yīng)時(shí)間快、控制方便等優(yōu)點(diǎn),加之新一代的優(yōu)質(zhì)聲光材料的發(fā)現(xiàn),使其在工業(yè)、科學(xué)、軍事等方面具有良好的發(fā)展前景[3-5].例如,用聲光調(diào)制器來改變激光器的Q值,實(shí)現(xiàn)壓縮激光脈寬來提高激光峰值功率等[6,7].為了更好地完成對(duì)聲光調(diào)制器特性的研究,我們?cè)O(shè)計(jì)并完成了一套實(shí)驗(yàn)樣機(jī).

1 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)裝置圖

本文設(shè)計(jì)的聲光調(diào)制器實(shí)驗(yàn)樣機(jī)如圖1所示.

圖1 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)裝置原理圖

實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的光電系統(tǒng)是由半導(dǎo)體激光電源、聲光盒、小孔光闌、接收放大器以及聲光調(diào)制電源箱組成.實(shí)驗(yàn)樣機(jī)調(diào)試的主要步驟如下:

(1)在光具座的滑座上放置好激光器和光電接收器,并安裝好聲光調(diào)制器的載物臺(tái).

(2)按圖1所示的連接方法將激光器、聲光調(diào)制器、光電接收器等組件連接到聲光調(diào)制電源箱.

(3)光路準(zhǔn)直.①打開電源開關(guān),接通激光電源,調(diào)節(jié)電源箱上的激光強(qiáng)度旋鈕,使激光束得到足夠強(qiáng)度;②用小孔光闌來調(diào)整光路,先將半導(dǎo)體激光器放置在導(dǎo)軌零點(diǎn)處鎖定,把小孔光闌拉到激光器附近,調(diào)整四維調(diào)整架的左和上旋鈕,使激光束通過小孔,再把小孔光闌拉到聲光調(diào)制器放置的位置,旋轉(zhuǎn)四維調(diào)整架上的右和下旋鈕,使激光束通過小孔;③反復(fù)調(diào)節(jié),使得一定距離內(nèi)激光束是平行光.

(4)將聲光調(diào)制器的通光孔置于載物平臺(tái)的中心位置,調(diào)整好高度,使得激光束剛好通過通光孔.

(5)把小孔光闌放置在帶橫向微動(dòng)的滑座上,調(diào)整好小孔光闌的高度,使得光束放好通過小孔.

(6)調(diào)整光電探測(cè)器的高度,使得激光束落在光電傳感器中心.

1.2 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)元器件選擇

1.2.1 光源選擇.

實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的半導(dǎo)體激光器采用650 nm的紅光,且其功率在0～2.5 mW范圍可調(diào),它具有激光的一切優(yōu)點(diǎn),例如相干性好,發(fā)散角小,便于在空間傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn).

1.2.2 聲光晶體選擇.

聲光晶體采用鉬酸鉛晶體,其各項(xiàng)品質(zhì)因數(shù)為,M1,M2=23.7,M3=24.9.

1.2.3 三角形導(dǎo)軌使用.

三角形導(dǎo)軌采用馬蹄形設(shè)計(jì),器件中心容易定位,穩(wěn)定性好,同時(shí)滑座可進(jìn)行精確調(diào)節(jié)或鎖緊,便于操作.

1.2.4 旋轉(zhuǎn)平臺(tái)使用.

旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上有水平調(diào)節(jié)螺栓和角度調(diào)節(jié)螺栓,利用水平調(diào)節(jié)螺栓可以任意調(diào)整聲光晶體的位置,待聲光晶體位置大致確定以后,鎖緊水平調(diào)節(jié)螺栓,然后旋轉(zhuǎn)角度調(diào)節(jié)螺栓(±5°精確調(diào)節(jié)),就可以改變光強(qiáng)在各級(jí)光斑上的分布.

2 結(jié)果與分析

2.1 觀察聲光調(diào)制的衍射現(xiàn)象

調(diào)節(jié)激光束的亮度,使在像屏中心有明晰的光點(diǎn)呈現(xiàn),此即為聲光調(diào)制的0級(jí)光斑.接通聲光調(diào)制電壓,此時(shí)以80 MHz為中心頻率的超聲波開始對(duì)聲光晶體進(jìn)行調(diào)制,同時(shí),微調(diào)載物平臺(tái)上聲光調(diào)制器的轉(zhuǎn)向,以改變聲光調(diào)制器的光束入射角,像屏上出現(xiàn)因聲光調(diào)制而出現(xiàn)的衍射光斑.仔細(xì)調(diào)節(jié)光束對(duì)聲光調(diào)制器的角度,當(dāng)+1級(jí)(或者-1級(jí))衍射光最強(qiáng)時(shí),此時(shí),聲光調(diào)制器即運(yùn)轉(zhuǎn)在布拉格條件下的偏轉(zhuǎn)狀態(tài).

2.2 用CCD線陣鏡頭測(cè)量聲光各衍射級(jí)強(qiáng)度分布

利用CCD線陣器就能在示波器上清楚地觀察到光強(qiáng)在各級(jí)上的分布情況并進(jìn)行比較.0級(jí)光斑和+1級(jí)光斑的光強(qiáng)度分布如圖2所示.

圖2 光斑光強(qiáng)分布圖

由圖2可知,當(dāng)聲波頻率較高,且聲光作用長(zhǎng)度較大時(shí),此時(shí)的聲擾動(dòng)介質(zhì)不再等效于平面位相光柵,而形成立體位相光柵.這時(shí),相對(duì)聲波方向以一定角度入射的光波,其衍射光在介質(zhì)內(nèi)相互干涉,使高級(jí)衍射光相互抵消,只出現(xiàn)0級(jí)和1級(jí)的衍射光.簡(jiǎn)言之,我們?cè)谄辽嫌^察到的是,0級(jí)光斑和+1級(jí)光斑光強(qiáng)非常強(qiáng)或者0級(jí)光斑和-1級(jí)光斑光強(qiáng)很強(qiáng),而其他各級(jí)的光強(qiáng)卻非常弱.

2.3 交流信號(hào)調(diào)制特性

打開信號(hào)發(fā)生器,輸入交流的正弦波信號(hào).加法器把直流偏壓和信號(hào)發(fā)生器的交流電壓疊加在一起輸出到線性聲光調(diào)制器上,在示波器上可看到被調(diào)制的半導(dǎo)體激光的正弦波,從而測(cè)出示波器上信號(hào)波的相對(duì)幅度.通過改變直流偏壓的大小或增加信號(hào)發(fā)生器的信號(hào)強(qiáng)度,可觀察輸出波形的調(diào)制特性(見圖3).

圖3 波形調(diào)制特性

2.4 聲光調(diào)制與光通訊實(shí)驗(yàn)演示

通過在實(shí)驗(yàn)樣機(jī)驅(qū)動(dòng)源輸入端加入外調(diào)制信號(hào)(如音頻信號(hào)、文字和圖像等),則衍射光強(qiáng)將隨次信號(hào)變化,從而達(dá)到控制激光輸出特性的目的(見圖4),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)模擬光通信和圖像處理的實(shí)驗(yàn)演示過程.

圖4 音頻信號(hào)調(diào)制特性

3 結(jié) 語

我們?cè)O(shè)計(jì)的聲光調(diào)制器實(shí)驗(yàn)樣機(jī)經(jīng)過一系列的測(cè)試,完全達(dá)到功能設(shè)計(jì)的要求,系統(tǒng)運(yùn)行良好.從整個(gè)裝置系統(tǒng)來看,它完全能夠滿足晶體聲光調(diào)制實(shí)驗(yàn)的需求,且能夠很穩(wěn)定的正常工作.

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