陳洪葉，曹學(xué)成，陳 軍，韓 岳

（山東農(nóng)業(yè)大學(xué)，山東泰安 271018）

聲光效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中疊加光柵產(chǎn)生的雙衍射現(xiàn)象探究

陳洪葉，曹學(xué)成，陳 軍，韓 岳

（山東農(nóng)業(yè)大學(xué)，山東泰安 271018）

聲光效應(yīng)實(shí)驗(yàn)光路中疊加光柵，產(chǎn)生雙衍射現(xiàn)象，用光強(qiáng)分布測定儀測出產(chǎn)生的衍射圖樣中光強(qiáng)值，并用Origin7.5統(tǒng)計(jì)軟件畫出衍射3D圖樣，形象直觀展示了兩種情況下衍射光強(qiáng)的分布情況及變化情況。反應(yīng)了基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)在改變原實(shí)驗(yàn)條件下，能演示新實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，拓寬了基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)原來的功能，更大程度地發(fā)揮了實(shí)驗(yàn)器材的最大作用。

聲光效應(yīng)實(shí)驗(yàn)；光柵；衍射；光強(qiáng)

聲光效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中，頻率在10MHZ左右的超聲波在聲光晶體中傳播，超聲波的作用相當(dāng)于在介質(zhì)中形成類似光學(xué)上的“相位光柵”，當(dāng)半導(dǎo)體激光器發(fā)出的激光光波通過此“相位光柵”時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生聲光衍射現(xiàn)象。在分光計(jì)測光波波長實(shí)驗(yàn)中，用汞燈或鈉燈作為光源照射光學(xué)光柵，也發(fā)生了光柵衍射現(xiàn)象。兩個(gè)各自獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)，能否兩者合作來展示一種新的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，并能找到新的規(guī)律。不斷開發(fā)實(shí)驗(yàn)器材的新作用，既能拓展原實(shí)驗(yàn)的研究范圍，又開發(fā)了實(shí)驗(yàn)器材的新功能，真正發(fā)揮了實(shí)驗(yàn)器材的最大作用。

本文在原聲光效應(yīng)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，在原光路中加入光柵（光柵常數(shù)為d=1/3 000 cm），其實(shí)驗(yàn)儀器組裝圖見圖1。

圖1　聲光效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中疊加光柵產(chǎn)生雙衍射圖樣

如此實(shí)驗(yàn)者就會(huì)在接收白屏上觀察到:在新的鋪設(shè)范圍內(nèi)更廣的衍射現(xiàn)象，衍射光斑鋪設(shè)的區(qū)域上擴(kuò)展了很多，光強(qiáng)的大小上也發(fā)生了相應(yīng)的變化。對比前后在實(shí)驗(yàn)光路中加入光柵和不加入光柵兩種實(shí)驗(yàn)條件下，產(chǎn)生有差異的光強(qiáng)變化規(guī)律，并用光強(qiáng)分布測量系統(tǒng)測出不同對應(yīng)位置處的光強(qiáng)大小，用Origin7.5統(tǒng)計(jì)軟件畫出它們各自對應(yīng)的光強(qiáng)變化圖。實(shí)驗(yàn)光路圖如聲光效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中，聲光效應(yīng)實(shí)驗(yàn)電源中的驅(qū)動(dòng)源是一個(gè)正弦波高頻功率信號發(fā)生器，通過匹配網(wǎng)絡(luò)加到壓電換能器上，使得換能器發(fā)出超聲波在聲光晶體中傳播，到達(dá)對面后，發(fā)生全發(fā)射，反射波和發(fā)射波相遇疊加形成駐波，在超聲駐波的作用下，聲光介質(zhì)的折射率n（x，t）=n0+ΔnsinΩtcosKx是空間坐標(biāo)和時(shí)間的函數(shù)［1］，周期性發(fā)生變化，類似于“相位光柵”。實(shí)驗(yàn)中，激光照射到聲光器件上，白屏上就展現(xiàn)出衍射圖樣圖樣。本文在原實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，在聲光器件和光強(qiáng)分布測量系統(tǒng)之間加入光柵，來研究激光通過聲光器件發(fā)生聲光衍射現(xiàn)象以后，再通過光學(xué)光柵進(jìn)行第二次衍射，也就是發(fā)生了“雙”衍射，出現(xiàn)的新實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的特點(diǎn)、新衍射圖樣的光強(qiáng)分布特點(diǎn)，并與不加入光學(xué)光柵時(shí)產(chǎn)生的聲光衍射現(xiàn)象進(jìn)行對比，找到變化的規(guī)律，挖掘雙衍射現(xiàn)象的特點(diǎn)。

1　激光通過相位光柵和光學(xué)光柵后形成的雙衍射圖樣分析

1.1雙衍射現(xiàn)象的特點(diǎn)

（1）聲光器件和光學(xué)光柵同時(shí)存在的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

半導(dǎo)體激光器發(fā)出激光（λ=650 nm），垂直入射到聲光器件上，發(fā)生聲光衍射，衍射光線再通過光學(xué)光柵又發(fā)生第二次衍射，形成雙衍射圖樣，可以清晰地觀察到:在接收屏上至少可以觀察到7組衍射條紋，而每一組衍射條紋又是由5條條紋（5條條紋的分布也是對稱的）組成的，這樣一共有35條衍射條紋。7組衍射條紋各自對應(yīng)的衍射級次分別為0級、±1級、±2級、±3級。通過觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可以看到，發(fā)生雙衍射現(xiàn)象時(shí)，出現(xiàn)的衍射條紋比較多，衍射圖樣鋪展的區(qū)域非常廣，衍射現(xiàn)象非常明顯。

（2）僅光學(xué)光柵存在，移走聲光器件的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

如果移走聲光器件，保留光學(xué)光柵的存在，可以看到激光僅通過了光柵發(fā)生了光柵衍射，可以在觀察屏上觀察到7條衍射條紋，7條衍射條紋的位置與聲光器件和光柵同時(shí)存在時(shí)形成的7組條紋中每組中央零級條紋的空間位置完全一樣，完全重疊在一起的。通過光柵衍射可以觀察到，僅有光學(xué)光柵，35條條紋變成了7條條紋，發(fā)生了光柵衍射現(xiàn)象。每一條條文周圍不再有另外的4條條紋，即沒有聲光器件的作用，這4條條紋是不存在的。

（3）僅聲光器件存在，移走光學(xué)光柵的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

如果移走光學(xué)光柵，僅保留聲光器件，可以看到6組衍射條紋全部消失了，僅僅留下了中間的那組條紋（0級衍射條紋），并且中間的這組條紋仍然包括5條條紋，周圍的4條條紋仍然存在，這5條條紋的位置與聲光器件和光柵同時(shí)存在時(shí)形成的7組條紋中中央衍射這組條紋形成的各級條紋空間位置一樣，不同的是，各級條紋的亮度上增強(qiáng)了。

1.2測量雙衍射現(xiàn)象的光強(qiáng)分布參數(shù)設(shè)定

移動(dòng)在軌道上光強(qiáng)分布測量系統(tǒng)，轉(zhuǎn)動(dòng)光闌轉(zhuǎn)盤，讓最窄的縫光闌（孔徑為0.2 mm）的光電接收端接收不同位置處的光信號，并把光信號轉(zhuǎn)化成電信號，在功率指示計(jì)的顯示屏上顯示出光信號大小。

通過測量:光柵的位置坐標(biāo)90.90 cm，聲光器件的位置坐標(biāo)是26.60 cm，激光源的位置坐標(biāo)3.00 cm。超聲波的頻率f=8.647 68 MHZ，光電探頭的位置坐標(biāo)為95.55 cm。

轉(zhuǎn)動(dòng)光強(qiáng)分布測量系統(tǒng)上的手輪，光強(qiáng)分布測量儀就在軌道上移動(dòng)，每0.02 mm（手輪每轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)小格，光強(qiáng)分布測量系統(tǒng)就在軌道上移動(dòng)0.02 mm）記錄一個(gè)光強(qiáng)數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)測出的不同坐標(biāo)位置對應(yīng)的光強(qiáng)數(shù)據(jù)如表一，表一中光電探頭的移動(dòng)位置用X表示，測出的光強(qiáng)大小用I表示。測量范圍覆蓋各級對稱的衍射條紋。

1.3光信號統(tǒng)計(jì)

光路中聲光器件和光柵同時(shí)存在，發(fā)生雙衍射現(xiàn)象，光強(qiáng)分布測量儀測出不同移動(dòng)位置處（共167個(gè)位置）對應(yīng)的光信號統(tǒng)計(jì)，見表1。

表1　雙衍射時(shí)，光強(qiáng)分布測試儀空間移動(dòng)位置與光強(qiáng)大小對應(yīng)值

續(xù)表1

1.4光強(qiáng)分布規(guī)律

用統(tǒng)計(jì)軟件Origin7.5找出兩變量X、I對應(yīng)的柱狀圖，找出光強(qiáng)分布規(guī)律。

用Origin7.5統(tǒng)計(jì)軟件，把兩列數(shù)據(jù)（共167對數(shù)據(jù)）輸入到統(tǒng)計(jì)表格中，光強(qiáng)分布測量系統(tǒng)的位置坐標(biāo)用X表示，測出的光強(qiáng)大小I用Y表示，把167對數(shù)據(jù)輸入后，找到它們對應(yīng)的柱狀圖。

圖2　聲光效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中雙衍射圖樣

可以明顯看出:各自對應(yīng)的衍射級次為0級、±1級、±2級，而±3級衍射條紋盡管在實(shí)驗(yàn)白屏上能看到，但是由于光強(qiáng)太小在光強(qiáng)對比圖上基本不顯示，而且±2級衍射條紋光強(qiáng)也比較小，而0級、±1級衍射條紋光強(qiáng)值較大，圖形顯示比較明顯。

2　激光通過相位光柵發(fā)生聲光衍射圖樣分析

2.1光路中僅有聲光器件存在，光強(qiáng)分布測量

儀測出不同對應(yīng)位置處的光信號

實(shí)驗(yàn)中僅把光柵去掉，其它實(shí)驗(yàn)器件的空間位置均不變。激光通過聲光器件發(fā)生聲光衍射現(xiàn)象，同樣用光強(qiáng)分布測試儀測量不同移動(dòng)位置處的光信號，測出的衍射光強(qiáng)數(shù)據(jù)如表2。

以上數(shù)據(jù)共46對數(shù)據(jù)，由于光路中僅有聲光器件時(shí)，發(fā)生聲光衍射條紋的中央條紋與聲光器件和光柵同時(shí)存在時(shí)對應(yīng)的中央衍射條紋的中心條紋是重合的，所以在I=422.0光強(qiáng)最大位置處對應(yīng)的X為光強(qiáng)分布測是儀的移動(dòng)位置85處，即X=85。

表2　聲光衍射時(shí)，光強(qiáng)分布測試儀空間移動(dòng)位置與光強(qiáng)大小對應(yīng)值

2.2用統(tǒng)計(jì)軟件Origin7.5找出兩變量X、I對應(yīng)的柱狀圖，找出光強(qiáng)分布規(guī)律

用Origin7.5統(tǒng)計(jì)軟件，把兩列數(shù)據(jù)輸入到統(tǒng)計(jì)表格中，光電探頭的移動(dòng)位置坐標(biāo)用X表示，測出的光強(qiáng)大小I用表示Y，把46對數(shù)據(jù)輸入后，選擇Plot目錄下的Special Bar/Column下的Stack Column，找到它們對應(yīng)的柱狀圖。運(yùn)用Origin 7.5統(tǒng)計(jì)軟件統(tǒng)計(jì)出的柱狀圖如圖3。

3　對比兩種情況下中央衍射條紋的空間位置和光強(qiáng)情況

參考表格一和表格二數(shù)據(jù)（兩個(gè)表格中的黑體數(shù)據(jù)），僅選取中央衍射條紋的光強(qiáng)情況進(jìn)行比較，比較表格如表3。

表3　衍射明紋空間移動(dòng)位置處對應(yīng)兩種情況下光強(qiáng)大小比較

從表格中可以看出，激光同時(shí)通過了聲光器件和光學(xué)光柵發(fā)生雙衍射，在光強(qiáng)最大位置處（坐標(biāo)位置X=85位置處），與激光只是通過聲光器件發(fā)生聲光衍射的光強(qiáng)相比較，發(fā)現(xiàn)前者的光強(qiáng)在0級、1級、-1級、2級、-2級處只占后者光強(qiáng)的43.01%、34.12%、38.12%、32.71%、35.87%，說明大部分光能量也分布在了其它級次的衍射中。

4　用Origin7.5統(tǒng)計(jì)軟件形象直觀顯示光強(qiáng)的分布特點(diǎn)

在Origin7.5統(tǒng)計(jì)軟件中，選擇光強(qiáng)分布測試儀的移動(dòng)位置和同時(shí)選擇兩種實(shí)驗(yàn)情況下的兩組數(shù)據(jù)，選擇EDIT下COPY page，可復(fù)制圖形，然后再粘貼到word文本中。如果選擇Plot目錄下的3DXYY目錄下3DBars，可以找到三個(gè)變量的3D圖，如果選擇Plot目錄下的3DXYY目錄下3DEWaterfall，可以找到三個(gè)變量的3D圖，如圖4（a）、（b）。

圖4（a）：聲光效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中不加光柵和加入光柵后的衍射光強(qiáng)3D圖

圖4（b）：聲光效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中不加光柵和加入光柵后的衍射3D截面圖

在圖4（a）、（b）中，可清晰地直觀地觀察到，聲光效應(yīng)實(shí)驗(yàn)光路中，加入光柵，可以觀察到整個(gè)光強(qiáng)的數(shù)值整體上較小，但衍射圖樣鋪設(shè)的范圍比較大，同時(shí)，我們可以看到7組衍射條紋在具體實(shí)驗(yàn)時(shí)可以看到，但由于光強(qiáng)值相對很小，所以在圖樣中0級、±1級是最清晰的，而±2級、±3級圖樣在此3D圖樣中顯示不明顯；而不加入光柵時(shí)，光強(qiáng)值較大，衍射鋪設(shè)范圍小。

［1］ 王永剛，曹學(xué)成，高峰，等.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)［M］.北京:中國農(nóng)業(yè)出版社，2012:212-221.

［2］ 劉欣，柴金華，章顯.駐波情形的液體聲光效應(yīng)的理論與實(shí)驗(yàn)研究［J］.物理實(shí)驗(yàn)，2013，7.

［3］ 石將建，費(fèi)陽，王毅.聲光效應(yīng)實(shí)驗(yàn)的理論研究和曲線模擬［J］.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2010（23）:4.Acousto-optic Effect Experiment with Superposition of Grating Causing Double Diffraction Phenomenon

CHEN Hong-ye，CAO Xue-cheng，CHEN Jun，HAN Yue
（Shandong Agriculture University，Shandong Taian 271018）

It produces the double refraction phenomenon in the light path of acousto-optic effect experiment by superposition’s grating.It measures intensity values in the diffraction pattern by light intensity distribution meter，and it draws the diffraction 3D pattern using Origin7.5 statistical software.It shows the distribution of the diffraction intensity and changes in both cases vividly and intuitively.It reflects the basic experiment which can demonstrate the new experimental phenomena by changing the original experimental conditions.It widens the basic experiment of the original function，and further brings experiment equipments into playing the function the largest.

acousto-optic effect experiment；grating；diffraction；light intensity

O436

A

10.14139/j.cnki.cn22-1228.2015.02.006

1007-2934（2015）02-0024-04

2014-10-23