声光布喇格衍射和喇曼-纳斯衍射效率的测定

王旭颖 王伟华 宋慧颖

摘   要：利用650nm红光在SO2000型声光效应实验仪上进行了声光调制和最大衍射效率的实验研究。实验分析可知：在布喇格衍射下，通过固定超声波功率，改变超声波频率来测量声光器件的中心频率与带宽，并在中心频率条件下，使用等间距采样的方法得到0级与1级光的声光调制曲线;、/测量计算在布喇格衍射和喇曼-纳斯衍射的最大衍射效率，比较可得前者遠远大于后者，即与理论分析吻合，实际中一般都使用布喇格衍射。

关键词：声光效应  布喇格衍射  喇曼-纳斯衍射  衍射效率

中图分类号：O436                                  文献标识码：A                       文章编号：1674-098X（2020）04（c）-0096-02

由于超声波频率和介质中声光相互作用的影响，声光效应产生了两种常用而又极端的衍射，即布喇格衍射和喇曼-纳斯衍射。声光效应实验是光电子学中的基本实验， 现利用SO2000声光效应实验仪进行布喇格衍射和喇曼-纳斯衍射实验的数据采集与分析比较。本文主要围绕布喇格衍射展开，对于喇曼纳斯衍射仅作观察等一般研究，同时在测得数据的基础上利用MATLAB软件进行曲线拟合处理。

1  实验原理

1.1 布喇格衍射

布喇格衍射时纵声波通过的声光介质可以看做是间距为声波波长的一排排反射层，由可以得出布喇格衍射条件：

式中，δ为0级和1级衍射光之间的相位延迟。当δ=π时，I1=Ii，入射光的所有光能被布喇格衍射全部转移到1级衍射上。理想的布喇格声光衍射效率可达到100%。

1.2 喇曼-纳斯衍射

喇曼-纳斯衍射是在声波强度较弱且声光相互作用长度较短的条件下通过介质所产生的。当其速度在通过声光介质后方向稍有改变，仍可将出射波看成平面波，但当声波通过介质时，波的相位将在空间中调制，声光介质犹如一块相位光栅。由其原理可知，各级衍射波最大值方向满足条件：

在入射光两侧出现与…相联系的一些衍射极大值。喇曼-纳斯衍射的衍射效率低，目前已较少应用。

2  实验装置

利用SO2000声光效应实验仪和波长为650nm的半导体激光器，让不同模式的红光通过声光器件，进而产生布喇格衍射和喇曼-纳斯衍射。实验声光介质为钼酸铅，在此介质中超声波速度，介质折射率n=2.386。调节光路，得到布喇格衍射和喇曼-纳斯衍射波形图（如图1）。

3  布喇格衍射

固定超声波功率，测量衍射光的相对强度I1与超声波的频率fs，数据如表1所示，并作出I1-fs关系曲线图（见图2）。

从而确定出声光器件的中心频率，带宽。将功率信号源的超声波频率固定在声光器件的中心频率上记录0级光光强（I0）和1级光光强（I1）以及超声波功率（Ps），并作出其相对声光调制曲线（Ps）近似地用功率信号源的板流is表征）。数据如表2，其关系曲线如图3，其中直线所标记的I0为0级衍射光的声光调制曲线，虚线所标记的I1为1级衍射光的声光调制曲线。实验测得0级与衍射光的相对光强，即。则最大衍射效率。

4  喇曼-纳斯衍射

在中心频率和布喇格衍射最佳功率的条件下进行调节并测量。实验测得0级与1级衍射光的相对光强，即。则最大衍射效率。

5  结语

本文从实验上对声光效应中的布喇格和喇曼-纳斯衍射的衍射效率进行了测定，发现实验得出的结果与理论基本吻合。对上述声光效应实验的数据进行分析可知，实验得出的数据中心频率与带宽略小于厂家的理论值。在中心频率下，得到0级光与1级光的声光调制曲线，通过曲线可以看0级光的光强随着超声波功率的增大而减小，然而1级光却恰恰相反。喇曼-纳斯衍射的衍射效率远远小于布喇格衍射的衍射效率，即（20.6%<<89%）与理论相吻合。布喇格衍射效率最大可以达到100%，而喇曼-纳斯衍射效率仅仅为34%。因此，大多数声光器件一般都使用布喇格衍射，除非特殊声光器件需要喇曼-纳斯衍射。

参考文献

[1] 李荫远，杨顺华.非线性光学[M].北京：科学出版社，1974.

[2] 石顺祥.物理光学与应用光学[M].2版.西安：西安电子科技大学出版社，2008.

[3] 郁道银.工程光学[M].2版.北京：机械工业出版社，2006.