声光Naman-Nath衍射特性的研究

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1、第28卷第9期大学物理Vo1．28No．92009年9月C0LLEGEPHYSICSSep．2009声光Naman—Nath衍射特性的研究李武军，王晓颖(西安工业大学数理系，陕西西安710032)摘要：讨论了液体介质中的超声相位光栅的形成，根据声光相互作用类型的区分标准，在液体介质的超声光栅实验中声光相互作用一般为Naman—Nath衍射；相位光栅可以由声行波和声驻波形成，且形成的各级衍射条纹极大均由相同的光栅方程决定，各级衍射条纹的强度由相应阶次的j2()函数值决定；在此基础上给出了衍射条纹和衍射光强的分布特点．关键词：声光效应；Na

2、man—Nath衍射；衍射条纹；超声光栅中图分类号：O426．3文献标识码：A文章编号：1000-0712(2009)09-0025-03超声波在介质中传播时会引起介质密度呈现疏射率分布如图1所示．由图可见，折射率的极大值密交替的周期性变化，从而介质中各点的折射率也和极小值分别出现在相邻的声场振幅为零处；介质会产生相应的周期性变化．超声波使介质折射率形的折射率增大或减小交替变化，并以声速向前推进；成的这种周期性分布可等效为一“相位光栅”，或称且介质中折射率分布的空间周期等于超声波长A．为超声光栅，光束通过这种介质时会产生衍射现象，衍射光

3、的强度、频率、方向都会随着介质折射率分布的不同而发生变化．超声波形成的这种“相位光栅”是一种可擦除的实时光栅，其光栅常量和相位调制深度可以通过超声波的频率和振幅加以控制．因而可以方便地利用声波来控制光束的强度和方向，并且光束通过声场衍射时不会对声场产生任何干扰，也能用于探测有光区域的声场特性，为研究声场提图1超声行波引起的折射率分布供了有效的方法。．本文针对液体介质的特点，分析了液体介质中超声相位光栅的形成，讨论了其产生的衍射条纹和衍射光强分布的特点．对于超声驻波场，其引起的介质中折射率分布也是驻波形式．与超声行波场同样分析可知，超声驻

4、1液体中的超声相位光栅波引起的介质折射率分布所形成的驻波波腹分别对液体介质中超声波可以以行波和驻波两种形式应于超声驻波的波节，而折射率分布所形成的驻波存在，当考虑光波的速度(10。m／s)远大于液体中声波节分别对应于超声驻波的波腹．且介质折射率分波的速度(10m／s)和声波引起介质的折射率变化布每隔半个周期(T／2)在波腹处变化一次，由极大很小的情况下，略去介质折射率分布对时间的依赖变为极小(或由极小变为极大)；在两次变化中间的关系，则超声行波场和超声驻波场引起的介质折射瞬间，介质中各处的折射率相同(即每半个声波周率分布均可写为期介质各

5、处相当于无声场作用)，即在超声波的一n()=n0+Ansinkx(1)个周期内，超声光栅出现和消失的次数为2次．但与其中n。为无超声场作用时的折射率，为声波的波超声行波场相同，超声驻波场形成的折射率空间分矢量，An=一n。3P5。／2为超声场引起折射率变化的幅布周期仍为声波的波长A．度，P为介质的弹光系数，S。为超声场引起介质的弹2Naman-Nath衍射性应变幅值．对于超声行波场，介质中声场和声场引起的折声场和光场相互作用类型常以收稿日期：2008—05—12；修回日期：2009—03—18作者简介：李武军(1970一)，男，西安工业

6、大学数理系副教授，硕士，主要从事物理实验教学及研究工作26大学物理第28卷(2)(-1)㈩值的大小来区分．式中为声光相互作用的长度，由函数sin(aq)／aq的性质可知，其主极大值对A为入射光波长，0．为光束的入射角．当G≤竹时，声应于a=0，即式(4)中各项仅在lk．+mk=0(m=整光相互作用为Naman—Nath衍射区；当G≥4订时，声数且大于零)时取得主极大值，且主极大宽度光相互作用为Bragg衍射区．可见液体介质和晶体在6(sin0)=A／q；相邻项的主极大值间距A(sin0)：满足上述不同条件时，即可产生相应类型的衍射．对A

7、／A；考虑一般gA，故△(sin0)6(sin0)；由此于液体介质的超声光栅实验，一般声光相互作用的长可见，当其中一项取得极大值时，其余各项几乎为度为10m量级，可见光波长为10m量级，超声波零．因此光强可以写为长为10m量级．由此可见，在光束近似垂直入射情q私㈩{)㈩况下，液体介质的超声光栅实验中G

8、入射，入射光波矢量；指向Y轴正向，两者相互正交．在介质中形第m级衍射极大值的光强为成的折射率分布如式(1)所示．当平面光波通过这，ocJ：()(7)种折射率周期性变化的介质时，光波的相位会受到式中=Ank；