顧華東，邵中興，楊 杰，鄭陳琪，陳瑞濤，武曉東

(1.中國(guó)科學(xué)院蘇州生物醫(yī)學(xué)研究所，江蘇蘇州215163;2.江蘇省醫(yī)用光學(xué)重點(diǎn)研究室，江蘇蘇州215163)

1 引言

基于光波場(chǎng)與聲場(chǎng)在聲光煤質(zhì)中相互作用原理制作的器件被廣泛用于光學(xué)、光電子學(xué)、聲學(xué)中，例如做成聲光調(diào)制器將連續(xù)波或者長(zhǎng)脈沖激光調(diào)制為高重復(fù)頻率、高峰值功率的脈沖激光，做成聲光調(diào)制器用于測(cè)頻系統(tǒng)、測(cè)距系統(tǒng)等［1－3］。

根據(jù)超聲波波長(zhǎng)、光波長(zhǎng)和聲光作用長(zhǎng)度的大小，存在兩種典型的聲光衍射現(xiàn)象［4］。一種是較高聲頻驅(qū)動(dòng)的Bragg衍射，這種衍射入射角不為零，只有一級(jí)衍射條紋，理論上其一級(jí)衍射效率可達(dá)100%，其聲波和光波的相互作用長(zhǎng)度比較長(zhǎng)。另一種是較低聲頻驅(qū)動(dòng)的Raman－Nath衍射，這種衍射呈現(xiàn)多級(jí)分布，理論上其一級(jí)衍射效率最高只有34%，聲光相互作用長(zhǎng)度比較短。這種衍射的機(jī)理被理解為相位光柵衍射，其原因是介質(zhì)在聲波作用下，介質(zhì)折射率發(fā)生了周期性變化。事實(shí)上，當(dāng)所加聲頻在上述兩種情形之間，一般十幾至數(shù)十兆赫，衍射亦呈多級(jí)現(xiàn)象。近年來(lái)大多研究者對(duì)Bragg衍射注意較多，而對(duì)多級(jí)聲光衍射現(xiàn)象研究的比較少［5］。

根據(jù)Raman－Nath聲光衍射原理，第m級(jí)衍射光強(qiáng)為Im/I0=J2m(δ)，對(duì)于0階貝塞爾函數(shù)，當(dāng)δ取2.405，5.520，8.654 等值時(shí)，J0(δ)=0，即零級(jí)衍射光光強(qiáng)為零。也就是說(shuō)，雖然其一級(jí)衍射效率較低，但在δ取適當(dāng)值得時(shí)候，其所有1級(jí)以上衍射光的總衍射效率在理論上還是可以達(dá)到100%的，這在理論上證明了利用Raman－Nath機(jī)制制作聲光Q開關(guān)的可能性。正因?yàn)榛赗aman－Nath機(jī)制的多級(jí)聲光衍射機(jī)制的聲光相互作用長(zhǎng)度比較短，可以利用這一特性可以制作體積小的聲光Q開關(guān)，從而對(duì)某些希望縮短聲光開關(guān)通光長(zhǎng)度的情況(例如用Ge單晶做CO2激光器聲光開關(guān))具有實(shí)用價(jià)值。另一方面，由于聲光相互作用長(zhǎng)度比較短，因而所需介質(zhì)體積小，換能器面積小，這樣對(duì)聲波能量的要求也降低了。

如果能夠事先確定相互作用長(zhǎng)度的大小對(duì)于制作聲光器件是非常有意義的［6－7］。本文利用水做介質(zhì)，得到了獲得最佳衍射效率的聲光相互作用長(zhǎng)度與聲頻、光波長(zhǎng)等關(guān)系，設(shè)計(jì)了以純水為介質(zhì)的聲光Q開關(guān)器件并得到最高98%的衍射效率，為研制小型化聲光開關(guān)器件提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)裝置

作為聲光介質(zhì)的水裝在一個(gè)長(zhǎng)方體玻璃容器(體積為30 cm×8 cm×6 cm)中，帶有方位調(diào)節(jié)裝置的電聲換能器從容器上方置入水中。使用頻率范圍3～16 MHz可調(diào)的超聲波發(fā)生器驅(qū)動(dòng)換能器(輸出超聲波最大功率約10 W)。He－Ne激光(波長(zhǎng)632.8 nm，輸出功率約3 mW)和倍頻 CW Nd∶YAG激光(波長(zhǎng)532 nm，輸出功率最大約40 mW)用作光源。為探測(cè)衍射過(guò)程，將帶有?=3 mm的小孔的鋁塊置于聲波場(chǎng)中，衍射光束通過(guò)小孔進(jìn)入衍射池外的光電二極管中。為了避免擾動(dòng)聲波場(chǎng)，鋁塊上面覆蓋了一層多孔物質(zhì)薄膜吸收聲波，如圖1所示。

圖1 測(cè)量聲光衍射相互作用長(zhǎng)度的實(shí)驗(yàn)裝置

鋁塊安裝在一個(gè)可以沿軌道滑動(dòng)的小平臺(tái)上。鋁塊前沿的初始位置P0剛好對(duì)準(zhǔn)換能器的前邊沿，這時(shí)入射光束不能被聲波場(chǎng)作用。從P0開始向右沿拉動(dòng)小平臺(tái)，使得入射光束可以逐漸進(jìn)入聲波場(chǎng)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)鋁塊位置剛一離開P0，衍射就發(fā)生了。隨著鋁塊以步長(zhǎng)0.5 mm移動(dòng)，衍射光強(qiáng)被測(cè)量并記錄下來(lái)，如圖2所示。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

移動(dòng)聲波場(chǎng)中的鋁塊，測(cè)量一級(jí)衍射光效率隨P0位置改變的結(jié)果。不同波長(zhǎng)和不同功率激光的一級(jí)衍射效率測(cè)量結(jié)果示于圖2。菱形標(biāo)記曲線表示倍頻Nd∶YAG激光(532 nm，3 mW)衍射效率，方形標(biāo)記曲線表示He－Ne激光衍射效率，三角形標(biāo)記表示倍頻Nd∶YAG激光(532 nm，40 mW)衍射效率。從圖中可以看出，所有曲線峰都對(duì)應(yīng)于橫坐標(biāo)相同位置，距離P0約為8 mm處。如果定義這個(gè)距離為相互作用長(zhǎng)度L，則L≈8 mm。表明L幾乎與衍射光波長(zhǎng)和光功率無(wú)關(guān)。

圖2 測(cè)量一級(jí)聲光相互作用長(zhǎng)度的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

調(diào)節(jié)聲頻分別為6 MHz和12 MHz時(shí)，用倍頻Nd∶YAG激光(532 nm，40 mW)做光源重復(fù)前面的實(shí)驗(yàn)過(guò)程，測(cè)得一級(jí)衍射效率結(jié)果如圖3所示，聲頻為6 MHz時(shí)聲光作用長(zhǎng)度L約為4 mm，聲頻為12 MHz時(shí)L約為12.5 mm。進(jìn)一步表明L的大小主要與聲頻有關(guān)。

圖3 不同聲頻的一級(jí)衍射效率

根據(jù)以上結(jié)果設(shè)計(jì)了一個(gè)以純水為介質(zhì)的聲光Q開關(guān)器件(如圖 4)，換能器的尺寸為(?8×0.2 mm3。仔細(xì)匹配超聲波的饋電參數(shù)使得駐波比小于1∶1.5。使用 He－Ne激光器做光源，調(diào)節(jié)超聲頻率在9 MHz左右，在不同的超聲功率下得到的衍射結(jié)果如圖5所示，測(cè)得其衍射角為3.1 mrad。

圖4 以純水為介質(zhì)的聲光Q開關(guān)器件

圖5 不同超聲功率下的衍射結(jié)果

對(duì)貝塞爾函數(shù) Jm(δ)，這里綜量 δ有［8］:

式中，λ0是入射光波長(zhǎng);L是聲光相互作用長(zhǎng)度;Δn是聲波引起的介質(zhì)折射率的改變量，其可表示為:

這里，P是水的光彈系數(shù);λs是超聲波長(zhǎng);A是超聲波驅(qū)動(dòng)水產(chǎn)生的振幅。

圖5(a)是在超聲功率為1 W下得到的。測(cè)得正一級(jí)或負(fù)一級(jí)光斑的能量約占總能量的27%，由Im/I0=J2m(δ)得貝塞爾函數(shù)項(xiàng) J1(δ)=0.52，δ=1.25，從而 J0(δ)=0.65，則零級(jí)衍射光斑的效率，即J20(δ)=42%。實(shí)驗(yàn)測(cè)得零級(jí)光斑的能量約占總能量的40%，符合得較好。該情況下，器件工作的溫度比室溫略高。圖5(b)是在超聲功率為2.5 W下得到的。超聲振幅應(yīng)為(a)的1.58倍，由式(1)和(2)有 δ=1.25 ×1.58=1.98，從而一級(jí)衍射效率 J21(δ)=33.4%，零級(jí)衍射效率 J20(δ)=5.8%。該情況下一級(jí)效率已經(jīng)接近理論預(yù)測(cè)的最大值了，可以看到相紙上零級(jí)光斑已經(jīng)很暗了。圖5(c)中超聲功率達(dá)到 3.4 W，δ=1.98 ×1.17=2.32，這樣J20(δ)≈0.2%，實(shí)驗(yàn)中零級(jí)光斑幾近消失，測(cè)得衍射光斑中零級(jí)光斑的能量不到總能量的2%。實(shí)驗(yàn)中λ0=633 nm，L=8 mm，由式(1)得Δn=0.23 ×10－4，顯然，即使在衍射效率已接近極限的情況下，Δn仍然比文獻(xiàn)［8］中所預(yù)計(jì)的10－4要小。該實(shí)驗(yàn)條件下，Q開關(guān)器件在沒(méi)有冷卻的情況下溫度升高到了50℃，但衍射仍然是穩(wěn)定的。不過(guò)如果進(jìn)一步增加超聲功率的話，衍射將變得不穩(wěn)定。如果對(duì)器件進(jìn)行冷卻降溫，聲光作用長(zhǎng)度L會(huì)變長(zhǎng)，即聲光器件的尺寸變長(zhǎng)。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)低聲頻作用下產(chǎn)生多級(jí)聲光衍射現(xiàn)象的聲光相互作用長(zhǎng)度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，得到下述結(jié)果:①聲光相互作用長(zhǎng)度主要取決于聲頻，聲頻高作用長(zhǎng)度長(zhǎng)，反之則短。而幾乎與衍射光的波長(zhǎng)和強(qiáng)度無(wú)關(guān);②在超聲頻率為9 MHz、超聲功率3.4 W下實(shí)現(xiàn)了約98%的總衍射效率(零級(jí)衍射光斑能量只剩下總能量的2%)。

本文的工作得到了杭州法珀激光科技有限公司提供超聲波驅(qū)動(dòng)器的支持，在此表示感謝。

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