液體聲光衍射的實驗分析

摘 要： 本文通過實驗分析了液體中的聲光衍射的特點，液體中的聲光相互作用為典型的拉曼-奈斯衍射。實驗測得的衍射光強分布與理論規律相符合。表明衍射條紋的方位由相位光柵方程決定，衍射條紋的強度由相應階次的函數值J■■（n）決定。對于確定的介質，存在一最佳聲場功率使得高級次的衍射光強度最大。

關鍵詞： 聲光衍射 拉曼奈斯衍射 折射率

1.引言

超聲波通過介質時會造成介質的局部壓縮和伸長而產生彈性應變，該應變隨時間和空間作周期性變化，使介質出現疏密相間的現象，如同一個相位光柵。當光通過這一受到超聲波擾動的介質時就會發生衍射現象，其衍射光的強度、頻率、方向等都隨著超聲場的變化而變化，這種現象稱之為聲光效應。早在1922年，布里淵（Brillou in）就預言了聲光效應的存在，1932年，由美國的德拜和希思（Debye and Sears）、法國的盧卡斯和畢瓜德（Lucas and B iquard）在實驗上得到證明[1]。20世紀60年代以后，激光的問世及高頻換能器（100MHz以上）的產生極大地促進了聲光效應理論和應用研究的迅速發展。由于利用聲光效應可以快速而有效地控制激光束的頻率、方向和強度，大大地擴展了激光的應用范圍，很快出現了許多性能優異的聲光器件。

按照聲波頻率的高低及聲波和光波作用長度的不同，聲光相互作用可以分為拉曼納斯衍射和布喇格衍射兩種類型。當超聲頻率較低，光波平行于聲波面入射（即垂直于聲場傳播方向），聲光互作用長度較短時，在光波通過介質的時間內，折射率的變化可以忽略不計，則聲光介質可近似看做相對靜止的“平面相位光柵”，產生拉曼納斯衍射。由于聲速比光速小得多，而且對于液體介質，一般超聲波長在10～4m量級，可見光波長在10～7m量級，聲光相互作用的長度約為幾個厘米，聲波長比光波長大得多，所以當光波平行通過介質時，幾乎不通過聲波面，因此只受到相位調制，即通過光密（折射率大）部分的光波波陣面將推遲，而通過光疏（折射率小）部分的光波波陣面將超前，于是通過聲光介質的平面波波陣面出現凹凸現象，變成一個折皺曲面。由出射波陣面上各子波源發出的次波將發生相干作用，形成與入射方向對稱分布的多級衍射光。因此液體介質的聲光相互作用為拉曼奈斯衍射類型。[2]

本文通過實驗就液體介質的聲光效應進行了探究，結合相關理論分析了液體介質中超聲光柵的形成機理，驗證了液體中的聲光衍射為拉曼納斯衍射，并定性分析了衍射條紋和光強分布的特點及影響條紋分布的因素。

2.實驗方案

2.1實驗原理

設介質中的聲波為一寬度為L的平面縱波，波矢L指x軸正向，入射光波矢量Ks指向y軸正向，二者相互正交。考慮光波的速度（108m/s）遠大于液體中聲波的速度（103m/s）和聲波引起介質的折射率變化很小的情況下，略去介質折射率分布對時間的依賴關系，介質中的折射率分布為

實驗裝置如圖1所示，實驗測量時，先調整入射光垂直與聲場傳播方向入射，再調整超聲頻率使得出現盡可能高級的衍射光，用可變光闌選擇透過不同級次的衍射光，分別測量各級衍射光的功率。測量各級衍射光的見表1。其中超聲頻率V■=10.50MHz，入射光強I=1.382mw。

3.實驗結果與討論

由表1的實驗數據可得：

1）零級的衍射光強最大，其占總入射功率的絕大部分；

2）各高級次的衍射光強依次遞減，且正負級次的光強近似對稱分布；

3）計算測量得到各級衍射光強之和為1.217mW，其與入射光強1.382mW有一定的差距，主要是由于入射光在液體池的表面有反射、在液體中傳播時也有一定強度的光強被介質散射，而且在衍射光中可能還存在未被觀察到的更高級次的衍射光強。

上述的實驗數據與條紋分布、光強分布的理論一致：

1）由式（4）可見，各級衍射光的極大值規律與普通光柵衍射的光柵方程相同，對應的光柵常數即為入射的聲波波長；各高級衍射條紋對稱排列在零級衍射條紋兩側。

5）各級衍射光強正比于函數。由圖1可知，當所加驅動功率使得υ分別取值1.85，3.06，4.21時，相應的高級次衍射光出現極大值，且各級極大值分別為入射光強的33.86%，23.67%，18.83%。因此對于一定介質，應存在一最佳的聲場驅動功率，能使得不同高級次的衍射光強最大。

需要說明的是，實驗測量中由于無法獲得介質中的超聲場功率，從而實驗測得的衍射光強分布數據與數值計算得到的光強不可比，但測量得到的各級衍射光強的分布趨勢與數值計算分布規律相符。

4.結語

根據聲場對光場的衍射作用，液體介質聲光效應為典型的拉曼—奈斯衍射。衍射極大的方位由相應的“相位光柵”方程決定，衍射條紋將對稱分布于零級衍射條紋兩側。各級次衍射光的強度由函數J■■（v）的值決定，由于v值與聲場驅動率，聲光作用長度，以及入射光的波長有關，因此對于確定的介質，應存在一最佳的聲場驅動功率使得高級次的衍射光強度最大。

參考文獻：

[1][德]馬科斯·玻恩，[美]埃米爾·沃爾夫.光學原理（下冊）[M].楊葭蓀譯.北京：電子工業出版社，2006：562-563.

[2]郝愛花，毛智禮，葛海波.聲光技術在激光技術領域中的應用研究[J].西安郵電學院學報，2005，10（3）：111-113.

[3]葉玉堂，饒建珍，肖峻.光學教程[M].北京：清華大學出版社，2005：369-372.

[4]王亞雄.應用聲光耦合理論對聲光效應的研究[J].陜西師范大學學報，2005，33（4）：36-39.