晶體聲光衍射效應中聲致折射率變化研究

李芳菊

(渭南師范學院物理與電氣工程學院，陜西渭南714099)

當超聲波通過透明介質，引起介質折射率周期性的變化，使通過介質的光波發(fā)生衍射時，這就是聲光衍射效應，折射率的周期性變化起著光柵的作用.這個折射率光柵使得衍射光的強度、衍射光的方向和衍射光的頻率都隨著聲場而發(fā)生變化，衍射光方向隨聲場的變化稱為聲光偏轉，衍射光強隨聲場的變化稱為聲光調制.根據(jù)聲光衍射效應制作的聲光調制器件、聲光偏轉器件在光信號處理和光通訊中有廣泛的應用.［1-3］像LiNbO3、TeO2、PbMnO4等聲光介質的特性參數(shù)對調制器的質量有著直接的影響，在聲光技術的研究中，對于超聲波引起的聲光介質折射率的變化情況很少有討論，正是因為如此，本文通過聲光衍射實驗，利用CCD和計算機處理衍射圖像，觀察和測定衍射譜的光強分布，對折射率光柵的光柵參數(shù)-介質折射率變化作了進一步討論.

1 聲光衍射光強與聲致折射率

在聲光衍射效應中，根據(jù)聲光相互作用距離，將聲光衍射分為拉曼-納斯衍射和布拉格衍射兩種類型.在聲光相互作用距離較短時發(fā)生拉曼-納斯衍射，設介質中的聲平面波的傳播方向沿x方向，它的角頻率為ωs，波長為λs，波矢量為ks;入射光為沿z方向傳播的平行波，它的角頻率為ω，在真空中的波長為λ，波矢量為 k.

在介質中，聲場引起的折射率變化為［4-5］:

其中:n0為無超聲場時介質的折射率，Δn是有超聲場時引起介質折射率變化的幅度.當光通過厚度為L的介質時，位相延遲可以表示為［4-5］:

其中:Δφ0為無超聲波時，光波通過介質的相位差，Δφ=κΔn0L為超聲場所引起的相位延遲變化幅度.

其中:b為光波的有效寬度，θ為衍射角.利用與貝塞耳函數(shù)有關的恒等式［6］:

其中:Jm(a)為(第一類)m階貝塞耳函數(shù)，將(3)式展開并積分得到

其中:Δφ =k0Δn(x，y)L，m是衍射的級次.相應的第m級衍射極大值的光強為［4］

2 聲光衍射實驗

2.1 折射率變化量

實驗中用到的儀器和裝置有:正弦聲光調制器驅動電源、分光器、CCD、光功率測試儀、二氧化碲介質和He-Ne激光器.

采用正弦聲光調制器驅動儀，調整好儀器，使平行光垂直入射，且方向垂直于超聲波的傳播方向.超聲頻率為150 MHz，觀察到清晰的二級衍射光譜，如圖1所示.

根據(jù)圖1的衍射光強分布圖樣，并經(jīng)過數(shù)學軟件MATLAB對圖1進行掃描分析，可以得到光強度分布圖像如圖2所示，在圖2上得到各級次衍射光相對于零級衍射光的強度值，其值如表1所示.

圖1 聲光拉曼納斯衍射圖樣

圖2 強度分析曲線

表1 衍射光級次和相對光強分析數(shù)據(jù)

2.2 電聲換能器的耦合效率對聲致折射率變化量的影響

在聲光衍射實驗中，通過高頻信號發(fā)生器調節(jié)超聲頻率，利用CCD或光強儀可以得到不同超聲頻率下的衍射圖像和各級衍射強度，通過數(shù)據(jù)處理得到一級衍射光對于零級衍射光的相對強度，數(shù)據(jù)及處理結果如表2所示.

表2 不同超聲頻率時的分析數(shù)據(jù)

依據(jù)表2中的數(shù)據(jù)得出二氧化碲介質聲致折射率變化量與超聲場頻率的關系曲線，如圖3所示.通過表2和圖3的結果可以看到，當超聲波的頻率為150 MHz時，二氧化碲介質聲光相位延遲和聲致折射率的變化量是最大的，當超聲波的頻率在150 MHz之間，聲致折射率的變化量是較大的且更穩(wěn)定的，當遠離此間隔頻率時，則聲致折射率變化量快速減小.

圖3 聲致折射率變化量與超聲頻率關系曲線

3 結語

聲光衍射效應實驗是物理學專業(yè)的一個近代物理實驗，該實驗結合了聲光相互作用、光學、聲學、激光原理等內(nèi)容，是一項極有特色的實驗項目.本文分析了衍射光的光譜強度，通過計算得出了聲光相位延遲量以及聲致折射率變化量，在此實驗的基礎上，進一步研究了電聲換能器的機電耦合效率與超聲場頻率的關系，實驗得出在150 MHz時，其耦合效率為最高，其介質中聲致折射率的變化量也最大.

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