МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Физический факультет Каф...
82 downloads
219 Views
205KB Size
Report
This content was uploaded by our users and we assume good faith they have the permission to share this book. If you own the copyright to this book and it is wrongfully on our website, we offer a simple DMCA procedure to remove your content from our site. Start by pressing the button below!
Report copyright / DMCA form
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Физический факультет Кафедра общей физики Бабин С.А., Вячеславов Л.Н.
ДИФРАКЦИЯ СВЕТА НА УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЯХ В КРИСТАЛЛЕ Описание лабораторной работы 1.9 по физической оптике
Новосибирск 1991
www.phys.nsu.ru Лабораторная работа 1.9
ДИФРАКЦИЯ СВЕТА НА УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЯХ В КРИСТАЛЛЕ Оборудование: Акустооптический модулятор МЛ-201 (исследуемый кристалл), высокочастотный генератор Г4-144, гелийнеоновый лазер, юстировочный столик, экран, фотодиод ФД-24. Цель работы: Исследование дифракции света на ультразвуковых колебаниях в кристалле в режимах "толстой" и "тонкой" решетки.
1.Краткая теория
www.phys.nsu.ru Дифракция света на ультразвуковых волнах была впервые предсказана в 1921 г. Мандельштамом и Бриллюеном независимо, а экспериментально обнаружена спустя несколько лет Дебаем и Сирсом, а также Люка и Бикаром. Качественно это явление можно объяснить следующим образом. Ультразвуковая волна, распространяясь в твердом теле или жидкости, создает локальные сжатия и разряжения среды. Вследствие эффекта фотоупругости изза механических напряжений возникают изменения диэлектрической проницаемости, а следовательно, изменения показателя преломления. Таким образом, в среде образуются периодические слои с отличающимся показателем преломления. При прохождении света через такую сложную структуру возникает дифракция. На явлении дифракции света в кристаллах основан целый класс акустооптических приборов: дефлекторов и модуляторов света, имеющих в настоящее время многочисленные применения. Полное теоретическое описание дифракции света на ультразвуке достаточно громоздко, поэтому мы ограничимся качественным рассмотрением двух наиболее важных предельных случаев дифракции Рамана–Ната (режим "тонкой" решетки) и дифракции Брэгга (режим "толстой" решетки).
www.phys.nsu.ru 1
www.phys.nsu.ru В случае "тонкой" решетки толщина акустического поля (рис.1) в кристалле мала, так что направление распространения света внутри области взаимодействия остается прямолинейным и неоднородность показателя преломления, вызываемая ультразвуком, влияет только на фазу света, прошедшего через акустический столб. Роль звуковой волны в этом случае сводится к созданию фазовой решетки, имеющей период, равный длине звуковой волны и движущейся со скоростью звука v . Для описания дифракции Рамана–Ната∗ вполне применимы формулы, описывающие дифракцию на синусоидальной фазовой решетке. L 4 2
c
www.phys.nsu.ru θ2
1 λ
θ
a
θ1
Λ
b
б 3
a
H
Рис. 1.Дифракция света на ультразвуке. а – режим Рамана–Ната; б – режим Брэгга; 1– падающий свет; 2– звуковая волна; 3– пьезопреобразователь; 4– дифракционная картина на экране.
∗
Приближение "тонкой" решетки получило свое название по имени индийских физиков, исследовавших его в 30-х гг нашего столетия.
www.phys.nsu.ru 2
www.phys.nsu.ru Как известно, в данном случае наблюдаются симметричные, эквидистантно расположенные дифракционные максимумы (рис. 1,а): λ sin θm = m , m = 0, ± 1, ± 2,... (1) Λ где λ, Λ – длина волна света и звука соответственно. Частоты света в дифракционных максимумах сдвинуты согласно эффекту Доплера вследствие движения фазовой решетки: 2 πc 2πc ωm = ω + mΩ , ω = , Ω= (2) λ Λ В случае "толстой" решетки при прохождении акустического поля свет испытывает рассеяние на объемной периодической структуре (рис. 1, б). При определенных условиях волны, дифрагированные на разных плоскостях объемной решетки, могут быть сфазированы. В этом случае, кроме прошедшего основного пучка, существует только один порядок дифрагированного света. Это и есть так называемый режим Брэгга. Найдем условия фазового согласования дифрагированных волн. Для фазового согласования лучей Аn и Аn+1, дифрагированных от разных периодов решетки, необходимо удовлетворить условие
www.phys.nsu.ru ab − ac = kλ, Λ , sin θ sin ( π 2 − 2θ ) ab =
ac = Λ
sin θ
(3) =Λ
cos 2θ sin θ
В результате условие согласования фаз дает величину так называемого угла Брэгга∗ λ sin θБ = (4) 2Λ ∗
Этот закон был получен независимо Брэггом и Вульфом в 1913 г. для объяснения дифракции рентгеновских лучей на кристаллах и справедлив для ряда других случаев распространения излучения в периодических средах, например для диэлектрических зеркал и интерференционных фильтров.
www.phys.nsu.ru 3
www.phys.nsu.ru Определим теперь условие применимости приближения "толстой" и "тонкой" решетки. Качественно понятно, что для наблюдения режима Брэгга пучок должен пересечь число периодов объемной решетки заметно больше одного, т.е. угол Брэгга λ θБ = должен быть существенно больше угловой ширины 2Λ λ решетки θР = , т.е. Λ 2