聲光布喇格衍射和喇曼-納斯衍射效率的測定

王旭穎 王偉華 宋慧穎

摘 ? 要：利用650nm紅光在SO2000型聲光效應實驗儀上進行了聲光調制和最大衍射效率的實驗研究。實驗分析可知：在布喇格衍射下，通過固定超聲波功率，改變超聲波頻率來測量聲光器件的中心頻率與帶寬，并在中心頻率條件下，使用等間距采樣的方法得到0級與1級光的聲光調制曲線;、/測量計算在布喇格衍射和喇曼-納斯衍射的最大衍射效率，比較可得前者遠遠大于后者，即與理論分析吻合，實際中一般都使用布喇格衍射。

關鍵詞：聲光效應 ?布喇格衍射 ?喇曼-納斯衍射 ?衍射效率

中圖分類號：O436 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）04（c）-0096-02

由于超聲波頻率和介質中聲光相互作用的影響，聲光效應產生了兩種常用而又極端的衍射，即布喇格衍射和喇曼-納斯衍射。聲光效應實驗是光電子學中的基本實驗， 現利用SO2000聲光效應實驗儀進行布喇格衍射和喇曼-納斯衍射實驗的數據采集與分析比較。本文主要圍繞布喇格衍射展開，對于喇曼納斯衍射僅作觀察等一般研究，同時在測得數據的基礎上利用MATLAB軟件進行曲線擬合處理。

1 ?實驗原理

1.1 布喇格衍射

布喇格衍射時縱聲波通過的聲光介質可以看做是間距為聲波波長的一排排反射層，由可以得出布喇格衍射條件：

式中，δ為0級和1級衍射光之間的相位延遲。當δ=π時，I1=Ii，入射光的所有光能被布喇格衍射全部轉移到1級衍射上。理想的布喇格聲光衍射效率可達到100%。

1.2 喇曼-納斯衍射

喇曼-納斯衍射是在聲波強度較弱且聲光相互作用長度較短的條件下通過介質所產生的。當其速度在通過聲光介質后方向稍有改變，仍可將出射波看成平面波，但當聲波通過介質時，波的相位將在空間中調制，聲光介質猶如一塊相位光柵。由其原理可知，各級衍射波最大值方向滿足條件：

在入射光兩側出現與…相聯系的一些衍射極大值。喇曼-納斯衍射的衍射效率低，目前已較少應用。

2 ?實驗裝置

利用SO2000聲光效應實驗儀和波長為650nm的半導體激光器，讓不同模式的紅光通過聲光器件，進而產生布喇格衍射和喇曼-納斯衍射。實驗聲光介質為鉬酸鉛，在此介質中超聲波速度，介質折射率n=2.386。調節(jié)光路，得到布喇格衍射和喇曼-納斯衍射波形圖（如圖1）。

3 ?布喇格衍射

固定超聲波功率，測量衍射光的相對強度I1與超聲波的頻率fs，數據如表1所示，并作出I1-fs關系曲線圖（見圖2）。

從而確定出聲光器件的中心頻率，帶寬。將功率信號源的超聲波頻率固定在聲光器件的中心頻率上記錄0級光光強（I0）和1級光光強（I1）以及超聲波功率（Ps），并作出其相對聲光調制曲線（Ps）近似地用功率信號源的板流is表征）。數據如表2，其關系曲線如圖3，其中直線所標記的I0為0級衍射光的聲光調制曲線，虛線所標記的I1為1級衍射光的聲光調制曲線。實驗測得0級與衍射光的相對光強，即。則最大衍射效率。

4 ?喇曼-納斯衍射

在中心頻率和布喇格衍射最佳功率的條件下進行調節(jié)并測量。實驗測得0級與1級衍射光的相對光強，即。則最大衍射效率。

5 ?結語

本文從實驗上對聲光效應中的布喇格和喇曼-納斯衍射的衍射效率進行了測定，發(fā)現實驗得出的結果與理論基本吻合。對上述聲光效應實驗的數據進行分析可知，實驗得出的數據中心頻率與帶寬略小于廠家的理論值。在中心頻率下，得到0級光與1級光的聲光調制曲線，通過曲線可以看0級光的光強隨著超聲波功率的增大而減小，然而1級光卻恰恰相反。喇曼-納斯衍射的衍射效率遠遠小于布喇格衍射的衍射效率，即（20.6%<<89%）與理論相吻合。布喇格衍射效率最大可以達到100%，而喇曼-納斯衍射效率僅僅為34%。因此，大多數聲光器件一般都使用布喇格衍射，除非特殊聲光器件需要喇曼-納斯衍射。

參考文獻

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