利用聲光效應測量波長的設計與研究

董錫杰，趙金博，熊祖釗，汪致遠，李 鈺，邵 亮

(武漢科技大學應用物理系，武漢 430065)

光通信是組建天地一體化網絡的關鍵技術，科學家們一直在探討如何能更好的利用光通信實現細瞄和跟蹤等精準測量.新聲光材料的及高性能聲光器件的設計和制造工藝的飛速發展，促使聲光技術的飛速發展，聲光信號處理技術已經成為光信號處理的一個重要分支[1].高精度聲光效應技術被用于衛星光通訊這一特殊應用場合[2-3].聲光效應還可以用于納米探針進行納米尺度的測量．

本文基于聲光效應模擬聲光通訊，搭建了一套激光波長測量裝置，研究了聲光Bragg衍射動量匹配特性，進行納米尺度的激光波長的測量．

1 激光波長測量設計原理

1.1 聲光Bragg衍射

圖1 聲光Bragg衍射原理圖Fig.1 Schematic diagram of acousto-optic Bragg diffraction theory

由動量匹配定理[19-21]可知，發生Bragg衍射時，入射角θi和衍射角θd滿足：

θi=θd=θB，

(1)

式中，θB稱為Bragg角，由光柵方程可知

(2)

由于Bragg衍射角很小，記衍射偏轉角為φ[20]，此時方程可近似寫為：

(3)

(4)

其中，f為超聲波的頻率；u為超聲波在聲光器件中的傳播速度．

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1.2 比較法測未知波長

圖2 Bragg衍射偏轉角示意圖Fig.2 Deflection angle schematic diagram of Bragg diffraction

當Bragg衍射偏轉角很小時，由圖2偏轉角幾何關系，可得：

(5)

式中,R為相機屏上0級和1級衍射光斑間的距離，L為聲光器件與相機屏間的距離.聯立公式(4)、(5)得到

(6)

以He-Ne激光波長公認632.8 nm[22-23](λ1)為基準波長，利用比較法進行未知波長的測量.在同一器件間距，分別對He-Ne激光及未知波長激光發生Bragg衍射后的0級和1級(或-1級)衍射光斑間的距離進行測量，由公式(6)可推得未知波長(λx)為

(7)

2 實驗裝置與實驗測量

2.1 實驗裝置

自制波長測量裝置如圖3所示，包括①激光光源，②偏振片，③聲光器件，④光屏，⑤工業相機，⑥LED顯示屏．

圖3 基于Bragg衍射的自制波長測量裝置Fig.3 Self-made wavelength measuring device based on Bragg diffraction

2.2 實驗方案

1)組裝

將激光器、偏振片、光屏依次安裝在導軌上，等高共軸，使光路暢通．

2)產生Bragg衍射

(1)打開激光器和自制波長測量儀顯示裝置，調節驅動電壓至工作電壓2.33 V.兩個偏振片用于控制激光強度，旋至光強最大處．

(2)粗調頻率旋鈕，旋轉入射平臺即改變激光照射聲光器件的角度，使光屏上1級(或-1級)光斑最亮，即發生了聲光Bragg衍射．

(3)將1(或-1級)光斑投射到光屏的光電檢流計孔內，微調頻率旋鈕，使1(或-1級)光斑光強最大，記錄此時的頻率f．

3)數據測量

(1)取下光屏，換上工業相機，連接LED顯示屏，調節工業相機底座上的螺旋測微器，移動工業相機，使顯示屏中的十字叉絲處于光斑中心．

(2)讀取0級和1級光斑的測微器位置度數R0i、R1i，工業相機與聲光器件在導軌上的位置L1i、L2i．

(3)多次測量，把測量數據并利用最小二乘法擬合出斜率，即未知激光波長λx．

2.3 測量結果

以He-Ne激光(波長為632.8 nm)作為激光光源，調節超聲波頻率，使該激光器發出的激光發生Bragg衍射的超聲波頻率f=89 MHz，He-Ne激光的Bragg衍射觀測圖像如圖4所示．

圖4 相機捕捉到的Bragg衍射圖像(He-Ne激光)Fig.4 Bragg diffraction image captured by the camera (He-Ne laser)

1)紅色激光波長測量

選用波長為650 nm的紅色激光作為光源，進行測量，實驗中測得使該激光發生Bragg衍射的頻率為f紅=98.3 MHz，移動工業相機，選取6個位置對衍射光斑間距進行測量，同一個位置分別用He-Ne激光和紅色激光作為光源進行調試測量，測得衍射光斑間的距離如表1所示，利用最小二乘法計算出斜率即紅色激光λx=648.66 nm，如圖5所示．

表1 紅光衍射光斑間距離測量數據Tab.1 Distance data measured between red laser diffraction spots

圖5 紅色激光波長數據擬合圖Fig.5 Data fitting diagram of red laser

紅色激光的測量波長:λ測=648.66 nm與理論值λ理=650.00 nm[24-25]之間的絕對誤差Δλ紅=1.34 nm，相對誤差E紅=0.2%，測定波長表達式為λ紅=(650.0±1.4) nm，與實際波長較為吻合．

2)綠色激光波長測量

選用波長為515 nm的綠色激光作為光源進行調試測量，實驗中使該激光發生Bragg衍射的頻率為f綠=138.5 MHz，同樣重復紅色激光波長的測量步驟，移動工業相機在6個位置對衍射光斑間距進行測量，測得衍射光斑間的距離如表2所示，計算出綠色激光波長為λx=514.44 nm，如圖6所示．

表2 綠光衍射光斑間距離測量數據Tab.2 Distance data measured between green laser diffraction spots

圖6 綠色激光波長數據擬合圖Fig.6 Data fitting diagram of green laser

實驗測量綠色激光的波長λ測=514.44 nm，與理論值λ理=515 nm[26]之間的絕對誤差Δλ綠=0.56 nm，相對誤差E綠=0.1%，綠色激光波長表達式為λ綠=(514.4±0.6) nm，與實際波長較為吻合．

3 結論

本方案以聲光Bragg衍射作為理論基礎，結合動量匹配定理和光柵方程，借助可控光波相位空間調制的思想，建立聲波頻率、超聲波傳播速度、聲光器件與相機屏間距、衍射亮斑間距與待測激光波長之間的關系，以性能較好的He-Ne激光為基準光源，減少中間測量參數，推導出待測激光波長計算公式.分別用紅色激光和綠色激光作為光源進行了測量，測量結果誤差較小.本方案具有實驗過程簡潔、不受聲光晶體參數約束，測量結果精確等優點，能夠簡單實現對不同波長的測量，是一種有推廣價值的方法．