声光调制器实验样机设计

喻 凌

(长江师范学院物理学与电子工程学院,重庆 408100)

0 引 言

近年来,随着声光技术的不断发展,研究人员已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[1,2].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,使其在工业、科学、军事等方面具有良好的发展前景[3-5].例如,用声光调制器来改变激光器的Q值,实现压缩激光脉宽来提高激光峰值功率等[6,7].为了更好地完成对声光调制器特性的研究,我们设计并完成了一套实验样机.

1 实验样机设计

1.1 实验样机装置图

本文设计的声光调制器实验样机如图1所示.

图1 实验样机装置原理图

实验样机的光电系统是由半导体激光电源、声光盒、小孔光阑、接收放大器以及声光调制电源箱组成.实验样机调试的主要步骤如下:

(1)在光具座的滑座上放置好激光器和光电接收器,并安装好声光调制器的载物台.

(2)按图1所示的连接方法将激光器、声光调制器、光电接收器等组件连接到声光调制电源箱.

(3)光路准直.①打开电源开关,接通激光电源,调节电源箱上的激光强度旋钮,使激光束得到足够强度;②用小孔光阑来调整光路,先将半导体激光器放置在导轨零点处锁定,把小孔光阑拉到激光器附近,调整四维调整架的左和上旋钮,使激光束通过小孔,再把小孔光阑拉到声光调制器放置的位置,旋转四维调整架上的右和下旋钮,使激光束通过小孔;③反复调节,使得一定距离内激光束是平行光.

(4)将声光调制器的通光孔置于载物平台的中心位置,调整好高度,使得激光束刚好通过通光孔.

(5)把小孔光阑放置在带横向微动的滑座上,调整好小孔光阑的高度,使得光束放好通过小孔.

(6)调整光电探测器的高度,使得激光束落在光电传感器中心.

1.2 实验样机元器件选择

1.2.1 光源选择.

实验样机的半导体激光器采用650 nm的红光,且其功率在0～2.5 mW范围可调,它具有激光的一切优点,例如相干性好,发散角小,便于在空间传输等优点.

1.2.2 声光晶体选择.

声光晶体采用钼酸铅晶体,其各项品质因数为,M1,M2=23.7,M3=24.9.

1.2.3 三角形导轨使用.

三角形导轨采用马蹄形设计,器件中心容易定位,稳定性好,同时滑座可进行精确调节或锁紧,便于操作.

1.2.4 旋转平台使用.

旋转平台上有水平调节螺栓和角度调节螺栓,利用水平调节螺栓可以任意调整声光晶体的位置,待声光晶体位置大致确定以后,锁紧水平调节螺栓,然后旋转角度调节螺栓(±5°精确调节),就可以改变光强在各级光斑上的分布.

2 结果与分析

2.1 观察声光调制的衍射现象

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.接通声光调制电压,此时以80 MHz为中心频率的超声波开始对声光晶体进行调制,同时,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束入射角,像屏上出现因声光调制而出现的衍射光斑.仔细调节光束对声光调制器的角度,当+1级(或者-1级)衍射光最强时,此时,声光调制器即运转在布拉格条件下的偏转状态.

2.2 用CCD线阵镜头测量声光各衍射级强度分布

利用CCD线阵器就能在示波器上清楚地观察到光强在各级上的分布情况并进行比较.0级光斑和+1级光斑的光强度分布如图2所示.

图2 光斑光强分布图

由图2可知,当声波频率较高,且声光作用长度较大时,此时的声扰动介质不再等效于平面位相光栅,而形成立体位相光栅.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级光斑光强非常强或者0级光斑和-1级光斑光强很强,而其他各级的光强却非常弱.

2.3 交流信号调制特性

打开信号发生器,输入交流的正弦波信号.加法器把直流偏压和信号发生器的交流电压叠加在一起输出到线性声光调制器上,在示波器上可看到被调制的半导体激光的正弦波,从而测出示波器上信号波的相对幅度.通过改变直流偏压的大小或增加信号发生器的信号强度,可观察输出波形的调制特性(见图3).

图3 波形调制特性

2.4 声光调制与光通讯实验演示

通过在实验样机驱动源输入端加入外调制信号(如音频信号、文字和图像等),则衍射光强将随次信号变化,从而达到控制激光输出特性的目的(见图4),进而实现模拟光通信和图像处理的实验演示过程.

图4 音频信号调制特性

3 结 语

我们设计的声光调制器实验样机经过一系列的测试,完全达到功能设计的要求,系统运行良好.从整个装置系统来看,它完全能够满足晶体声光调制实验的需求,且能够很稳定的正常工作.

[1]江雄,宗德蓉,孙祖红,等.激光显示中声光调制器的研究[J].光学仪器,2007,29(5):50-54.

[2]陈文友.声光技术的发展动态及其在军事上的应用[J].压电与声光,2000,16(2):21-28.

[3]张颖.用于雷达信号处理的连续可调声光延迟线[J].现代雷达,2001,20(6):97-100.

[4]蒋跃.声光技术在雷达动目标模拟中的应用[J].光学技术,2001,20(2):159-161.

[5]付琼,金韬.基于声光效应的光束偏转控制理论研究[J].光子学报,2007,36(6):1083-1087.

[6]张成义,陶纯堪,陈美红.超声光栅实验及其多普勒频移的一种简单研究方法[J].物理实验,2006,26(12):35-37.

[7]刘海霞,盖磊,刘光娟,等.声光衍射及实验研究[J].实验室研究与探索,2009,28(1):55-59.