液体声光衍射的实验分析

摘 要： 本文通过实验分析了液体中的声光衍射的特点，液体中的声光相互作用为典型的拉曼-奈斯衍射。实验测得的衍射光强分布与理论规律相符合。表明衍射条纹的方位由相位光栅方程决定，衍射条纹的强度由相应阶次的函数值J■■（n）决定。对于确定的介质，存在一最佳声场功率使得高级次的衍射光强度最大。

关键词： 声光衍射 拉曼奈斯衍射 折射率

1.引言

超声波通过介质时会造成介质的局部压缩和伸长而产生弹性应变，该应变随时间和空间作周期性变化，使介质出现疏密相间的现象，如同一个相位光栅。当光通过这一受到超声波扰动的介质时就会发生衍射现象，其衍射光的强度、频率、方向等都随着超声场的变化而变化，这种现象称之为声光效应。早在1922年，布里渊（Brillou in）就预言了声光效应的存在，1932年，由美国的德拜和希思（Debye and Sears）、法国的卢卡斯和毕瓜德（Lucas and B iquard）在实验上得到证明[1]。20世纪60年代以后，激光的问世及高频换能器（100MHz以上）的产生极大地促进了声光效应理论和应用研究的迅速发展。由于利用声光效应可以快速而有效地控制激光束的频率、方向和强度，大大地扩展了激光的应用范围，很快出现了许多性能优异的声光器件。

按照声波频率的高低及声波和光波作用长度的不同，声光相互作用可以分为拉曼纳斯衍射和布喇格衍射两种类型。当超声频率较低，光波平行于声波面入射（即垂直于声场传播方向），声光互作用长度较短时，在光波通过介质的时间内，折射率的变化可以忽略不计，则声光介质可近似看做相对静止的“平面相位光栅”，产生拉曼纳斯衍射。由于声速比光速小得多，而且对于液体介质，一般超声波长在10～4m量级，可见光波长在10～7m量级，声光相互作用的长度约为几个厘米，声波长比光波长大得多，所以当光波平行通过介质时，几乎不通过声波面，因此只受到相位调制，即通过光密（折射率大）部分的光波波阵面将推迟，而通过光疏（折射率小）部分的光波波阵面将超前，于是通过声光介质的平面波波阵面出现凹凸现象，变成一个折皱曲面。由出射波阵面上各子波源发出的次波将发生相干作用，形成与入射方向对称分布的多级衍射光。因此液体介质的声光相互作用为拉曼奈斯衍射类型。[2]

本文通过实验就液体介质的声光效应进行了探究，结合相关理论分析了液体介质中超声光栅的形成机理，验证了液体中的声光衍射为拉曼纳斯衍射，并定性分析了衍射条纹和光强分布的特点及影响条纹分布的因素。

2.实验方案

2.1实验原理

设介质中的声波为一宽度为L的平面纵波，波矢L指x轴正向，入射光波矢量Ks指向y轴正向，二者相互正交。考虑光波的速度（108m/s）远大于液体中声波的速度（103m/s）和声波引起介质的折射率变化很小的情况下，略去介质折射率分布对时间的依赖关系，介质中的折射率分布为

实验装置如图1所示，实验测量时，先调整入射光垂直与声场传播方向入射，再调整超声频率使得出现尽可能高级的衍射光，用可变光阑选择透过不同级次的衍射光，分别测量各级衍射光的功率。测量各级衍射光的见表1。其中超声频率V■=10.50MHz，入射光强I=1.382mw。

3.实验结果与讨论

由表1的实验数据可得：

1）零级的衍射光强最大，其占总入射功率的绝大部分；

2）各高级次的衍射光强依次递减，且正负级次的光强近似对称分布；

3）计算测量得到各级衍射光强之和为1.217mW，其与入射光强1.382mW有一定的差距，主要是由于入射光在液体池的表面有反射、在液体中传播时也有一定强度的光强被介质散射，而且在衍射光中可能还存在未被观察到的更高级次的衍射光强。

上述的实验数据与条纹分布、光强分布的理论一致：

1）由式（4）可见，各级衍射光的极大值规律与普通光栅衍射的光栅方程相同，对应的光栅常数即为入射的声波波长；各高级衍射条纹对称排列在零级衍射条纹两侧。

5）各级衍射光强正比于函数。由图1可知，当所加驱动功率使得υ分别取值1.85，3.06，4.21时，相应的高级次衍射光出现极大值，且各级极大值分别为入射光强的33.86%，23.67%，18.83%。因此对于一定介质，应存在一最佳的声场驱动功率，能使得不同高级次的衍射光强最大。

需要说明的是，实验测量中由于无法获得介质中的超声场功率，从而实验测得的衍射光强分布数据与数值计算得到的光强不可比，但测量得到的各级衍射光强的分布趋势与数值计算分布规律相符。

4.结语

根据声场对光场的衍射作用，液体介质声光效应为典型的拉曼—奈斯衍射。衍射极大的方位由相应的“相位光栅”方程决定，衍射条纹将对称分布于零级衍射条纹两侧。各级次衍射光的强度由函数J■■（v）的值决定，由于v值与声场驱动率，声光作用长度，以及入射光的波长有关，因此对于确定的介质，应存在一最佳的声场驱动功率使得高级次的衍射光强度最大。

参考文献：

[1][德]马科斯·玻恩，[美]埃米尔·沃尔夫.光学原理（下册）[M].杨葭荪译.北京：电子工业出版社，2006：562-563.

[2]郝爱花，毛智礼，葛海波.声光技术在激光技术领域中的应用研究[J].西安邮电学院学报，2005，10（3）：111-113.

[3]叶玉堂，饶建珍，肖峻.光学教程[M].北京：清华大学出版社，2005：369-372.

[4]王亚雄.应用声光耦合理论对声光效应的研究[J].陕西师范大学学报，2005，33（4）：36-39.