晶体声光衍射效应中声致折射率变化研究

李芳菊

(渭南师范学院物理与电气工程学院，陕西渭南714099)

当超声波通过透明介质，引起介质折射率周期性的变化，使通过介质的光波发生衍射时，这就是声光衍射效应，折射率的周期性变化起着光栅的作用.这个折射率光栅使得衍射光的强度、衍射光的方向和衍射光的频率都随着声场而发生变化，衍射光方向随声场的变化称为声光偏转，衍射光强随声场的变化称为声光调制.根据声光衍射效应制作的声光调制器件、声光偏转器件在光信号处理和光通讯中有广泛的应用.［1-3］像LiNbO3、TeO2、PbMnO4等声光介质的特性参数对调制器的质量有着直接的影响，在声光技术的研究中，对于超声波引起的声光介质折射率的变化情况很少有讨论，正是因为如此，本文通过声光衍射实验，利用CCD和计算机处理衍射图像，观察和测定衍射谱的光强分布，对折射率光栅的光栅参数-介质折射率变化作了进一步讨论.

1 声光衍射光强与声致折射率

在声光衍射效应中，根据声光相互作用距离，将声光衍射分为拉曼-纳斯衍射和布拉格衍射两种类型.在声光相互作用距离较短时发生拉曼-纳斯衍射，设介质中的声平面波的传播方向沿x方向，它的角频率为ωs，波长为λs，波矢量为ks;入射光为沿z方向传播的平行波，它的角频率为ω，在真空中的波长为λ，波矢量为 k.

在介质中，声场引起的折射率变化为［4-5］:

其中:n0为无超声场时介质的折射率，Δn是有超声场时引起介质折射率变化的幅度.当光通过厚度为L的介质时，位相延迟可以表示为［4-5］:

其中:Δφ0为无超声波时，光波通过介质的相位差，Δφ=κΔn0L为超声场所引起的相位延迟变化幅度.

其中:b为光波的有效宽度，θ为衍射角.利用与贝塞耳函数有关的恒等式［6］:

其中:Jm(a)为(第一类)m阶贝塞耳函数，将(3)式展开并积分得到

其中:Δφ =k0Δn(x，y)L，m是衍射的级次.相应的第m级衍射极大值的光强为［4］

2 声光衍射实验

2.1 折射率变化量

实验中用到的仪器和装置有:正弦声光调制器驱动电源、分光器、CCD、光功率测试仪、二氧化碲介质和He-Ne激光器.

采用正弦声光调制器驱动仪，调整好仪器，使平行光垂直入射，且方向垂直于超声波的传播方向.超声频率为150 MHz，观察到清晰的二级衍射光谱，如图1所示.

根据图1的衍射光强分布图样，并经过数学软件MATLAB对图1进行扫描分析，可以得到光强度分布图像如图2所示，在图2上得到各级次衍射光相对于零级衍射光的强度值，其值如表1所示.

图1 声光拉曼纳斯衍射图样

图2 强度分析曲线

表1 衍射光级次和相对光强分析数据

2.2 电声换能器的耦合效率对声致折射率变化量的影响

在声光衍射实验中，通过高频信号发生器调节超声频率，利用CCD或光强仪可以得到不同超声频率下的衍射图像和各级衍射强度，通过数据处理得到一级衍射光对于零级衍射光的相对强度，数据及处理结果如表2所示.

表2 不同超声频率时的分析数据

依据表2中的数据得出二氧化碲介质声致折射率变化量与超声场频率的关系曲线，如图3所示.通过表2和图3的结果可以看到，当超声波的频率为150 MHz时，二氧化碲介质声光相位延迟和声致折射率的变化量是最大的，当超声波的频率在150 MHz之间，声致折射率的变化量是较大的且更稳定的，当远离此间隔频率时，则声致折射率变化量快速减小.

图3 声致折射率变化量与超声频率关系曲线

3 结语

声光衍射效应实验是物理学专业的一个近代物理实验，该实验结合了声光相互作用、光学、声学、激光原理等内容，是一项极有特色的实验项目.本文分析了衍射光的光谱强度，通过计算得出了声光相位延迟量以及声致折射率变化量，在此实验的基础上，进一步研究了电声换能器的机电耦合效率与超声场频率的关系，实验得出在150 MHz时，其耦合效率为最高，其介质中声致折射率的变化量也最大.

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