基于電光掃描器的激光衍射實驗儀

閆愛民，陸晨旭，俞嘉文，湯 鳴

(上海師范大學 數理學院，上海 200234)

光的衍射是光學課程的理論和實驗教學中的重要講授內容，也是學生理解的難點之一[1]. 傳統的物理光學衍射實驗儀器中多采用光刻掩模版作為衍射光學器件，而且變換衍射孔徑需要手動移動掩模版的位置. 由于光刻衍射器件很小，線寬在μm至mm量級，激光光斑中心難以精確對準衍射器件；衍射圖樣用白屏觀察，無法實時存儲和處理圖樣[2]. 為了克服傳統衍射實驗儀的不足，本文基于電光掃描器設計了激光衍射實驗儀. 該實驗儀用數字電光掃描器作為光束定向掃描系統，在PC機編程控制下，按設定的掃描路徑使激光自動照射衍射器件，無需移動光刻掩模版；同時用CCD相機和圖像采集卡配合PC機，對衍射圖樣實時采集、顯示、處理和分析，自動高效. 利用該實驗儀還可以進行激光掃描演示實驗和菲涅耳衍射等拓展實驗，培養學生的綜合實驗能力.

1 儀器結構

激光衍射儀的結構示意圖如圖1所示，主要由激光源、電光掃描器及控制器、衍射器件、圖像采集與處理系統和計算機構成. 激光源可以采用650 nm波長的半導體激光器，電光掃描器由多級1×2電光開關級聯而成，在控制器的作用下，可以按照一定的掃描路徑進行1×N的一維或者M×N陣列的二維激光掃描. 衍射器件可用微光學的光刻技術，在掩模版上刻蝕任意孔徑形狀的衍射光學元件[3]. 用CCD相機和圖像采集卡配合PC機，實時采集、顯示、處理和分析衍射圖樣.

圖1 激光衍射實驗儀的結構圖

電光掃描器的設計方案有很多種類型，圖2所示為基于1×2電光開關多級級聯的1×N掃描器，可以通過改變偏振分束器的放置方式，設計成M×N的二維陣列. 電光掃描器由2部分組成：第1部分為鈮酸鋰晶體電光開關K1，K2,…，Kn；第2部分為偏振分光棱鏡或者偏振分束器(PBS)[4]，也可以采用其他類型的電光開關進行分束. 圖3為1×N電光開關原理示意圖. 波長為λ、振動方向平行于坐標x方向的激光沿著晶體光軸方向z進入鈮酸鋰晶體,當在金屬電極部分不施加橫向半波電壓時,到達PBS的振動方向不變,直接通過偏振分光棱鏡沿著原方向出射;如果對鈮酸鋰晶體施加橫向半波電壓,由于鈮酸鋰晶體的橫向電光效應而使得其感應主軸繞z軸轉動了45°,光信號到達偏振分光棱鏡時振動方向發生了旋轉,在偏振分光棱鏡分光面發生全反射,再經過1次全反射沿同原方向平行的方向出射. 多級級聯的1×2電光開關通過計算機控制鈮酸鋰晶體上半波電壓的施加與否，實現一維或者二維的光束掃描.

圖2 1×N電光掃描器示意圖

圖3 1×N電光開關原理示意圖

圖4 N×N陣列光斑示意圖

圖4所示為典型的陣列光斑示意圖，激光從光斑1開始，由控制器控制激光依次轉向光斑2，光斑3，……，光斑16. 根據實際需要在計算機控制軟件中也可以設置其他N×N個掃描光斑的掃描路徑. 相應的光刻掩模版上的衍射器件的排列、中心間距與掃描光斑的排列和間距相同，這樣激光光斑每掃描1次，可照射1個衍射器件，使其產生夫瑯禾費衍射. 衍射圖像可由CCD相機配合透鏡等光學元件組成的圖像采集與處理系統進行存儲、顯示和分析[5].

2 實驗結果

實驗設計了3×3陣列掃描器[4]，由4級電光開關級聯而成，由于晶體材料成本原因，第4級電光開關中只用了1個分束器，從第3級電光開關出射的8束光經過第4級中的1個分束器后變為9束，因此設計成了3×3陣列掃描器，如果第4級電光開關的8個分束器全部使用，則最多可以輸出16束激光，在實際設計中可以根據需要自行選擇. 每級中單個晶體尺寸5 mm×5 mm×50 mm，掃描器總長度為250 mm，半波電壓約800 V，激光波長為635 nm，衍射版中每個衍射物的尺寸約1 mm×1 mm，陣列間距約10 mm.

圖5和圖6所示為光學實驗中典型的幾何圖形單縫、雙縫、光柵、正三角形孔、正六邊形孔徑、矩孔、圓孔的夫瑯禾費衍射圖樣. 從圖5～6中的實驗結果可以看出，這些夫瑯禾費衍射圖樣同教材以及文獻的結果吻合[6].

圖5 單雙縫和光柵的夫瑯禾費衍射圖樣

圖6 矩孔、正三角形孔、圓孔和正六邊形孔的夫瑯禾費衍射圖樣

圖7所示為將26個英文字母作為衍射屏，得到的夫瑯禾費衍射圖樣. 根據字母屏的衍射圖樣分布的特點，將26個字母分為2類：第1類是不同傾斜角度的單縫的組合衍射，如字母A，E，F,H,I，K，L，M，N，T，V，W，X，Y和Z；第2類是單縫和圓弧形孔徑的組合衍射，如字母B，C,D，G，J，O，P，Q,R，S和U.

圖7 26個字母孔徑的衍射圖樣

此外，為了豐富實驗內容，還進行復雜圖案的夫瑯禾費衍射實驗，如圖8所示.

圖8 復雜圖案的衍射圖樣

根據課堂演示和實驗要求，當需要某種或者某些形狀的衍射孔徑進行實驗時，首先用微光學技術制作相應的衍射器件，確定這些衍射器件的排列方式，通過給電光開關控制器下達特定指令，電光開關偏轉激光束對準相應的衍射器件，從而產生夫瑯禾費衍射圖樣，由CCD相機記錄，計算機進行存儲、分析和處理. 本文設計的激光衍射實驗儀具有自動掃描、快速高效、衍射孔徑類型多、演示效果好等特點.

3 結束語

基于電光掃描器的激光衍射實驗儀除了可以實現典型的簡單孔徑的夫瑯禾衍射實驗演示外，還可以進行復雜衍射孔徑的實驗；可以通過擴大衍射孔徑的尺寸，拓展到菲涅耳衍射現象的演示實驗；還可以進行激光束無機械掃描的演示實驗，功能多樣，方便快捷.