利用声光效应测量波长的设计与研究

董锡杰，赵金博，熊祖钊，汪致远，李 钰，邵 亮

(武汉科技大学应用物理系，武汉 430065)

光通信是组建天地一体化网络的关键技术，科学家们一直在探讨如何能更好的利用光通信实现细瞄和跟踪等精准测量.新声光材料的及高性能声光器件的设计和制造工艺的飞速发展，促使声光技术的飞速发展，声光信号处理技术已经成为光信号处理的一个重要分支[1].高精度声光效应技术被用于卫星光通讯这一特殊应用场合[2-3].声光效应还可以用于纳米探针进行纳米尺度的测量．

本文基于声光效应模拟声光通讯，搭建了一套激光波长测量装置，研究了声光Bragg衍射动量匹配特性，进行纳米尺度的激光波长的测量．

1 激光波长测量设计原理

1.1 声光Bragg衍射

图1 声光Bragg衍射原理图Fig.1 Schematic diagram of acousto-optic Bragg diffraction theory

由动量匹配定理[19-21]可知，发生Bragg衍射时，入射角θi和衍射角θd满足：

θi=θd=θB，

(1)

式中，θB称为Bragg角，由光栅方程可知

(2)

由于Bragg衍射角很小，记衍射偏转角为φ[20]，此时方程可近似写为：

(3)

(4)

其中，f为超声波的频率；u为超声波在声光器件中的传播速度．

随着人口老龄化到来，加之长久以来的医护比例失调，目前我国护士的缺口非常大，因此护理专业被列为国家紧缺人才专业。培养高素质、技能型护理人才是提高国民健康水平的重要举措，而基础护理学实训教学质量也将严重影响我国护理事业的发展。由此可见，突破传统教学思想，开展多种教学方法已经成为当代护理教育改革的主题[4]。

1.2 比较法测未知波长

图2 Bragg衍射偏转角示意图Fig.2 Deflection angle schematic diagram of Bragg diffraction

当Bragg衍射偏转角很小时，由图2偏转角几何关系，可得：

(5)

式中,R为相机屏上0级和1级衍射光斑间的距离，L为声光器件与相机屏间的距离.联立公式(4)、(5)得到

(6)

以He-Ne激光波长公认632.8 nm[22-23](λ1)为基准波长，利用比较法进行未知波长的测量.在同一器件间距，分别对He-Ne激光及未知波长激光发生Bragg衍射后的0级和1级(或-1级)衍射光斑间的距离进行测量，由公式(6)可推得未知波长(λx)为

(7)

2 实验装置与实验测量

2.1 实验装置

自制波长测量装置如图3所示，包括①激光光源，②偏振片，③声光器件，④光屏，⑤工业相机，⑥LED显示屏．

图3 基于Bragg衍射的自制波长测量装置Fig.3 Self-made wavelength measuring device based on Bragg diffraction

2.2 实验方案

1)组装

将激光器、偏振片、光屏依次安装在导轨上，等高共轴，使光路畅通．

2)产生Bragg衍射

(1)打开激光器和自制波长测量仪显示装置，调节驱动电压至工作电压2.33 V.两个偏振片用于控制激光强度，旋至光强最大处．

(2)粗调频率旋钮，旋转入射平台即改变激光照射声光器件的角度，使光屏上1级(或-1级)光斑最亮，即发生了声光Bragg衍射．

(3)将1(或-1级)光斑投射到光屏的光电检流计孔内，微调频率旋钮，使1(或-1级)光斑光强最大，记录此时的频率f．

3)数据测量

(1)取下光屏，换上工业相机，连接LED显示屏，调节工业相机底座上的螺旋测微器，移动工业相机，使显示屏中的十字叉丝处于光斑中心．

(2)读取0级和1级光斑的测微器位置度数R0i、R1i，工业相机与声光器件在导轨上的位置L1i、L2i．

(3)多次测量，把测量数据并利用最小二乘法拟合出斜率，即未知激光波长λx．

2.3 测量结果

以He-Ne激光(波长为632.8 nm)作为激光光源，调节超声波频率，使该激光器发出的激光发生Bragg衍射的超声波频率f=89 MHz，He-Ne激光的Bragg衍射观测图像如图4所示．

图4 相机捕捉到的Bragg衍射图像(He-Ne激光)Fig.4 Bragg diffraction image captured by the camera (He-Ne laser)

1)红色激光波长测量

选用波长为650 nm的红色激光作为光源，进行测量，实验中测得使该激光发生Bragg衍射的频率为f红=98.3 MHz，移动工业相机，选取6个位置对衍射光斑间距进行测量，同一个位置分别用He-Ne激光和红色激光作为光源进行调试测量，测得衍射光斑间的距离如表1所示，利用最小二乘法计算出斜率即红色激光λx=648.66 nm，如图5所示．

表1 红光衍射光斑间距离测量数据Tab.1 Distance data measured between red laser diffraction spots

图5 红色激光波长数据拟合图Fig.5 Data fitting diagram of red laser

红色激光的测量波长:λ测=648.66 nm与理论值λ理=650.00 nm[24-25]之间的绝对误差Δλ红=1.34 nm，相对误差E红=0.2%，测定波长表达式为λ红=(650.0±1.4) nm，与实际波长较为吻合．

2)绿色激光波长测量

选用波长为515 nm的绿色激光作为光源进行调试测量，实验中使该激光发生Bragg衍射的频率为f绿=138.5 MHz，同样重复红色激光波长的测量步骤，移动工业相机在6个位置对衍射光斑间距进行测量，测得衍射光斑间的距离如表2所示，计算出绿色激光波长为λx=514.44 nm，如图6所示．

表2 绿光衍射光斑间距离测量数据Tab.2 Distance data measured between green laser diffraction spots

图6 绿色激光波长数据拟合图Fig.6 Data fitting diagram of green laser

实验测量绿色激光的波长λ测=514.44 nm，与理论值λ理=515 nm[26]之间的绝对误差Δλ绿=0.56 nm，相对误差E绿=0.1%，绿色激光波长表达式为λ绿=(514.4±0.6) nm，与实际波长较为吻合．

3 结论

本方案以声光Bragg衍射作为理论基础，结合动量匹配定理和光栅方程，借助可控光波相位空间调制的思想，建立声波频率、超声波传播速度、声光器件与相机屏间距、衍射亮斑间距与待测激光波长之间的关系，以性能较好的He-Ne激光为基准光源，减少中间测量参数，推导出待测激光波长计算公式.分别用红色激光和绿色激光作为光源进行了测量，测量结果误差较小.本方案具有实验过程简洁、不受声光晶体参数约束，测量结果精确等优点，能够简单实现对不同波长的测量，是一种有推广价值的方法．