陈洪叶，曹学成，陈 军，韩 岳

（山东农业大学，山东泰安 271018）

声光效应实验中叠加光栅产生的双衍射现象探究

陈洪叶，曹学成，陈 军，韩 岳

（山东农业大学，山东泰安 271018）

声光效应实验光路中叠加光栅，产生双衍射现象，用光强分布测定仪测出产生的衍射图样中光强值，并用Origin7.5统计软件画出衍射3D图样，形象直观展示了两种情况下衍射光强的分布情况及变化情况。反应了基础实验在改变原实验条件下，能演示新实验现象，拓宽了基础实验原来的功能，更大程度地发挥了实验器材的最大作用。

声光效应实验；光栅；衍射；光强

声光效应实验中，频率在10MHZ左右的超声波在声光晶体中传播，超声波的作用相当于在介质中形成类似光学上的“相位光栅”，当半导体激光器发出的激光光波通过此“相位光栅”时，就会产生声光衍射现象。在分光计测光波波长实验中，用汞灯或钠灯作为光源照射光学光栅，也发生了光栅衍射现象。两个各自独立的实验，能否两者合作来展示一种新的实验现象，并能找到新的规律。不断开发实验器材的新作用，既能拓展原实验的研究范围，又开发了实验器材的新功能，真正发挥了实验器材的最大作用。

本文在原声光效应实验的基础上，在原光路中加入光栅（光栅常数为d=1/3 000 cm），其实验仪器组装图见图1。

图1　声光效应实验中叠加光栅产生双衍射图样

如此实验者就会在接收白屏上观察到:在新的铺设范围内更广的衍射现象，衍射光斑铺设的区域上扩展了很多，光强的大小上也发生了相应的变化。对比前后在实验光路中加入光栅和不加入光栅两种实验条件下，产生有差异的光强变化规律，并用光强分布测量系统测出不同对应位置处的光强大小，用Origin7.5统计软件画出它们各自对应的光强变化图。实验光路图如声光效应实验中，声光效应实验电源中的驱动源是一个正弦波高频功率信号发生器，通过匹配网络加到压电换能器上，使得换能器发出超声波在声光晶体中传播，到达对面后，发生全发射，反射波和发射波相遇叠加形成驻波，在超声驻波的作用下，声光介质的折射率n（x，t）=n0+ΔnsinΩtcosKx是空间坐标和时间的函数［1］，周期性发生变化，类似于“相位光栅”。实验中，激光照射到声光器件上，白屏上就展现出衍射图样图样。本文在原实验的基础上，在声光器件和光强分布测量系统之间加入光栅，来研究激光通过声光器件发生声光衍射现象以后，再通过光学光栅进行第二次衍射，也就是发生了“双”衍射，出现的新实验现象的特点、新衍射图样的光强分布特点，并与不加入光学光栅时产生的声光衍射现象进行对比，找到变化的规律，挖掘双衍射现象的特点。

1　激光通过相位光栅和光学光栅后形成的双衍射图样分析

1.1双衍射现象的特点

（1）声光器件和光学光栅同时存在的实验现象。

半导体激光器发出激光（λ=650 nm），垂直入射到声光器件上，发生声光衍射，衍射光线再通过光学光栅又发生第二次衍射，形成双衍射图样，可以清晰地观察到:在接收屏上至少可以观察到7组衍射条纹，而每一组衍射条纹又是由5条条纹（5条条纹的分布也是对称的）组成的，这样一共有35条衍射条纹。7组衍射条纹各自对应的衍射级次分别为0级、±1级、±2级、±3级。通过观察实验现象可以看到，发生双衍射现象时，出现的衍射条纹比较多，衍射图样铺展的区域非常广，衍射现象非常明显。

（2）仅光学光栅存在，移走声光器件的实验现象。

如果移走声光器件，保留光学光栅的存在，可以看到激光仅通过了光栅发生了光栅衍射，可以在观察屏上观察到7条衍射条纹，7条衍射条纹的位置与声光器件和光栅同时存在时形成的7组条纹中每组中央零级条纹的空间位置完全一样，完全重叠在一起的。通过光栅衍射可以观察到，仅有光学光栅，35条条纹变成了7条条纹，发生了光栅衍射现象。每一条条文周围不再有另外的4条条纹，即没有声光器件的作用，这4条条纹是不存在的。

（3）仅声光器件存在，移走光学光栅的实验现象。

如果移走光学光栅，仅保留声光器件，可以看到6组衍射条纹全部消失了，仅仅留下了中间的那组条纹（0级衍射条纹），并且中间的这组条纹仍然包括5条条纹，周围的4条条纹仍然存在，这5条条纹的位置与声光器件和光栅同时存在时形成的7组条纹中中央衍射这组条纹形成的各级条纹空间位置一样，不同的是，各级条纹的亮度上增强了。

1.2测量双衍射现象的光强分布参数设定

移动在轨道上光强分布测量系统，转动光阑转盘，让最窄的缝光阑（孔径为0.2 mm）的光电接收端接收不同位置处的光信号，并把光信号转化成电信号，在功率指示计的显示屏上显示出光信号大小。

通过测量:光栅的位置坐标90.90 cm，声光器件的位置坐标是26.60 cm，激光源的位置坐标3.00 cm。超声波的频率f=8.647 68 MHZ，光电探头的位置坐标为95.55 cm。

转动光强分布测量系统上的手轮，光强分布测量仪就在轨道上移动，每0.02 mm（手轮每转动一个小格，光强分布测量系统就在轨道上移动0.02 mm）记录一个光强数据，实验测出的不同坐标位置对应的光强数据如表一，表一中光电探头的移动位置用X表示，测出的光强大小用I表示。测量范围覆盖各级对称的衍射条纹。

1.3光信号统计

光路中声光器件和光栅同时存在，发生双衍射现象，光强分布测量仪测出不同移动位置处（共167个位置）对应的光信号统计，见表1。

表1　双衍射时，光强分布测试仪空间移动位置与光强大小对应值

续表1

1.4光强分布规律

用统计软件Origin7.5找出两变量X、I对应的柱状图，找出光强分布规律。

用Origin7.5统计软件，把两列数据（共167对数据）输入到统计表格中，光强分布测量系统的位置坐标用X表示，测出的光强大小I用Y表示，把167对数据输入后，找到它们对应的柱状图。

图2　声光效应实验中双衍射图样

可以明显看出:各自对应的衍射级次为0级、±1级、±2级，而±3级衍射条纹尽管在实验白屏上能看到，但是由于光强太小在光强对比图上基本不显示，而且±2级衍射条纹光强也比较小，而0级、±1级衍射条纹光强值较大，图形显示比较明显。

2　激光通过相位光栅发生声光衍射图样分析

2.1光路中仅有声光器件存在，光强分布测量

仪测出不同对应位置处的光信号

实验中仅把光栅去掉，其它实验器件的空间位置均不变。激光通过声光器件发生声光衍射现象，同样用光强分布测试仪测量不同移动位置处的光信号，测出的衍射光强数据如表2。

以上数据共46对数据，由于光路中仅有声光器件时，发生声光衍射条纹的中央条纹与声光器件和光栅同时存在时对应的中央衍射条纹的中心条纹是重合的，所以在I=422.0光强最大位置处对应的X为光强分布测是仪的移动位置85处，即X=85。

表2　声光衍射时，光强分布测试仪空间移动位置与光强大小对应值

2.2用统计软件Origin7.5找出两变量X、I对应的柱状图，找出光强分布规律

用Origin7.5统计软件，把两列数据输入到统计表格中，光电探头的移动位置坐标用X表示，测出的光强大小I用表示Y，把46对数据输入后，选择Plot目录下的Special Bar/Column下的Stack Column，找到它们对应的柱状图。运用Origin 7.5统计软件统计出的柱状图如图3。

3　对比两种情况下中央衍射条纹的空间位置和光强情况

参考表格一和表格二数据（两个表格中的黑体数据），仅选取中央衍射条纹的光强情况进行比较，比较表格如表3。

表3　衍射明纹空间移动位置处对应两种情况下光强大小比较

从表格中可以看出，激光同时通过了声光器件和光学光栅发生双衍射，在光强最大位置处（坐标位置X=85位置处），与激光只是通过声光器件发生声光衍射的光强相比较，发现前者的光强在0级、1级、-1级、2级、-2级处只占后者光强的43.01%、34.12%、38.12%、32.71%、35.87%，说明大部分光能量也分布在了其它级次的衍射中。

4　用Origin7.5统计软件形象直观显示光强的分布特点

在Origin7.5统计软件中，选择光强分布测试仪的移动位置和同时选择两种实验情况下的两组数据，选择EDIT下COPY page，可复制图形，然后再粘贴到word文本中。如果选择Plot目录下的3DXYY目录下3DBars，可以找到三个变量的3D图，如果选择Plot目录下的3DXYY目录下3DEWaterfall，可以找到三个变量的3D图，如图4（a）、（b）。

图4（a）：声光效应实验中不加光栅和加入光栅后的衍射光强3D图

图4（b）：声光效应实验中不加光栅和加入光栅后的衍射3D截面图

在图4（a）、（b）中，可清晰地直观地观察到，声光效应实验光路中，加入光栅，可以观察到整个光强的数值整体上较小，但衍射图样铺设的范围比较大，同时，我们可以看到7组衍射条纹在具体实验时可以看到，但由于光强值相对很小，所以在图样中0级、±1级是最清晰的，而±2级、±3级图样在此3D图样中显示不明显；而不加入光栅时，光强值较大，衍射铺设范围小。

［1］ 王永刚，曹学成，高峰，等.大学物理实验［M］.北京:中国农业出版社，2012:212-221.

［2］ 刘欣，柴金华，章显.驻波情形的液体声光效应的理论与实验研究［J］.物理实验，2013，7.

［3］ 石将建，费阳，王毅.声光效应实验的理论研究和曲线模拟［J］.大学物理实验，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