基于電光掃描器的激光衍射實(shí)驗(yàn)儀

閆愛(ài)民，陸晨旭，俞嘉文，湯 鳴

(上海師范大學(xué) 數(shù)理學(xué)院，上海 200234)

光的衍射是光學(xué)課程的理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的重要講授內(nèi)容，也是學(xué)生理解的難點(diǎn)之一[1]. 傳統(tǒng)的物理光學(xué)衍射實(shí)驗(yàn)儀器中多采用光刻掩模版作為衍射光學(xué)器件，而且變換衍射孔徑需要手動(dòng)移動(dòng)掩模版的位置. 由于光刻衍射器件很小，線寬在μm至mm量級(jí)，激光光斑中心難以精確對(duì)準(zhǔn)衍射器件；衍射圖樣用白屏觀察，無(wú)法實(shí)時(shí)存儲(chǔ)和處理圖樣[2]. 為了克服傳統(tǒng)衍射實(shí)驗(yàn)儀的不足，本文基于電光掃描器設(shè)計(jì)了激光衍射實(shí)驗(yàn)儀. 該實(shí)驗(yàn)儀用數(shù)字電光掃描器作為光束定向掃描系統(tǒng)，在PC機(jī)編程控制下，按設(shè)定的掃描路徑使激光自動(dòng)照射衍射器件，無(wú)需移動(dòng)光刻掩模版；同時(shí)用CCD相機(jī)和圖像采集卡配合PC機(jī)，對(duì)衍射圖樣實(shí)時(shí)采集、顯示、處理和分析，自動(dòng)高效. 利用該實(shí)驗(yàn)儀還可以進(jìn)行激光掃描演示實(shí)驗(yàn)和菲涅耳衍射等拓展實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生的綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?

1 儀器結(jié)構(gòu)

激光衍射儀的結(jié)構(gòu)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(tǒng)和計(jì)算機(jī)構(gòu)成. 激光源可以采用650 nm波長(zhǎng)的半導(dǎo)體激光器，電光掃描器由多級(jí)1×2電光開(kāi)關(guān)級(jí)聯(lián)而成，在控制器的作用下，可以按照一定的掃描路徑進(jìn)行1×N的一維或者M(jìn)×N陣列的二維激光掃描. 衍射器件可用微光學(xué)的光刻技術(shù)，在掩模版上刻蝕任意孔徑形狀的衍射光學(xué)元件[3]. 用CCD相機(jī)和圖像采集卡配合PC機(jī)，實(shí)時(shí)采集、顯示、處理和分析衍射圖樣.

圖1 激光衍射實(shí)驗(yàn)儀的結(jié)構(gòu)圖

電光掃描器的設(shè)計(jì)方案有很多種類型，圖2所示為基于1×2電光開(kāi)關(guān)多級(jí)級(jí)聯(lián)的1×N掃描器，可以通過(guò)改變偏振分束器的放置方式，設(shè)計(jì)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(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)進(jìn)行分束. 圖3為1×N電光開(kāi)關(guān)原理示意圖. 波長(zhǎng)為λ、振動(dòng)方向平行于坐標(biāo)x方向的激光沿著晶體光軸方向z進(jìn)入鈮酸鋰晶體,當(dāng)在金屬電極部分不施加橫向半波電壓時(shí),到達(dá)PBS的振動(dòng)方向不變,直接通過(guò)偏振分光棱鏡沿著原方向出射;如果對(duì)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(yīng)而使得其感應(yīng)主軸繞z軸轉(zhuǎn)動(dòng)了45°,光信號(hào)到達(dá)偏振分光棱鏡時(shí)振動(dòng)方向發(fā)生了旋轉(zhuǎn),在偏振分光棱鏡分光面發(fā)生全反射,再經(jīng)過(guò)1次全反射沿同原方向平行的方向出射. 多級(jí)級(jí)聯(lián)的1×2電光開(kāi)關(guān)通過(guò)計(jì)算機(jī)控制鈮酸鋰晶體上半波電壓的施加與否，實(shí)現(xiàn)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(kāi)關(guān)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(kāi)始，由控制器控制激光依次轉(zhuǎn)向光斑2，光斑3，……，光斑16. 根據(jù)實(shí)際需要在計(jì)算機(jī)控制軟件中也可以設(shè)置其他N×N個(gè)掃描光斑的掃描路徑. 相應(yīng)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(gè)衍射器件，使其產(chǎn)生夫瑯禾費(fèi)衍射. 衍射圖像可由CCD相機(jī)配合透鏡等光學(xué)元件組成的圖像采集與處理系統(tǒng)進(jìn)行存儲(chǔ)、顯示和分析[5].

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了3×3陣列掃描器[4]，由4級(jí)電光開(kāi)關(guān)級(jí)聯(lián)而成，由于晶體材料成本原因，第4級(jí)電光開(kāi)關(guān)中只用了1個(gè)分束器，從第3級(jí)電光開(kāi)關(guān)出射的8束光經(jīng)過(guò)第4級(jí)中的1個(gè)分束器后變?yōu)?束，因此設(shè)計(jì)成了3×3陣列掃描器，如果第4級(jí)電光開(kāi)關(guān)的8個(gè)分束器全部使用，則最多可以輸出16束激光，在實(shí)際設(shè)計(jì)中可以根據(jù)需要自行選擇. 每級(jí)中單個(gè)晶體尺寸5 mm×5 mm×50 mm，掃描器總長(zhǎng)度為250 mm，半波電壓約800 V，激光波長(zhǎng)為635 nm，衍射版中每個(gè)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(xué)實(shí)驗(yàn)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(fèi)衍射圖樣. 從圖5～6中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，這些夫瑯禾費(fèi)衍射圖樣同教材以及文獻(xiàn)的結(jié)果吻合[6].

圖5 單雙縫和光柵的夫瑯禾費(fèi)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(fèi)衍射圖樣

圖7所示為將26個(gè)英文字母作為衍射屏，得到的夫瑯禾費(fèi)衍射圖樣. 根據(jù)字母屏的衍射圖樣分布的特點(diǎn)，將26個(gè)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(xiàn),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(gè)字母孔徑的衍射圖樣

此外，為了豐富實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，還進(jìn)行復(fù)雜圖案的夫瑯禾費(fèi)衍射實(shí)驗(yàn)，如圖8所示.

圖8 復(fù)雜圖案的衍射圖樣

根據(jù)課堂演示和實(shí)驗(yàn)要求，當(dāng)需要某種或者某些形狀的衍射孔徑進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先用微光學(xué)技術(shù)制作相應(yīng)的衍射器件，確定這些衍射器件的排列方式，通過(guò)給電光開(kāi)關(guān)控制器下達(dá)特定指令，電光開(kāi)關(guān)偏轉(zhuǎn)激光束對(duì)準(zhǔn)相應(yīng)的衍射器件，從而產(chǎn)生夫瑯禾費(fèi)衍射圖樣，由CCD相機(jī)記錄，計(jì)算機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)、分析和處理. 本文設(shè)計(jì)的激光衍射實(shí)驗(yàn)儀具有自動(dòng)掃描、快速高效、衍射孔徑類型多、演示效果好等特點(diǎn).

3 結(jié)束語(yǔ)

基于電光掃描器的激光衍射實(shí)驗(yàn)儀除了可以實(shí)現(xiàn)典型的簡(jiǎn)單孔徑的夫瑯禾衍射實(shí)驗(yàn)演示外，還可以進(jìn)行復(fù)雜衍射孔徑的實(shí)驗(yàn)；可以通過(guò)擴(kuò)大衍射孔徑的尺寸，拓展到菲涅耳衍射現(xiàn)象的演示實(shí)驗(yàn)；還可以進(jìn)行激光束無(wú)機(jī)械掃描的演示實(shí)驗(yàn)，功能多樣，方便快捷.