基于电光扫描器的激光衍射实验仪

闫爱民，陆晨旭，俞嘉文，汤 鸣

(上海师范大学 数理学院，上海 200234)

光的衍射是光学课程的理论和实验教学中的重要讲授内容，也是学生理解的难点之一[1]. 传统的物理光学衍射实验仪器中多采用光刻掩模版作为衍射光学器件，而且变换衍射孔径需要手动移动掩模版的位置. 由于光刻衍射器件很小，线宽在μm至mm量级，激光光斑中心难以精确对准衍射器件；衍射图样用白屏观察，无法实时存储和处理图样[2]. 为了克服传统衍射实验仪的不足，本文基于电光扫描器设计了激光衍射实验仪. 该实验仪用数字电光扫描器作为光束定向扫描系统，在PC机编程控制下，按设定的扫描路径使激光自动照射衍射器件，无需移动光刻掩模版；同时用CCD相机和图像采集卡配合PC机，对衍射图样实时采集、显示、处理和分析，自动高效. 利用该实验仪还可以进行激光扫描演示实验和菲涅耳衍射等拓展实验，培养学生的综合实验能力.

1 仪器结构

激光衍射仪的结构示意图如图1所示，主要由激光源、电光扫描器及控制器、衍射器件、图像采集与处理系统和计算机构成. 激光源可以采用650 nm波长的半导体激光器，电光扫描器由多级1×2电光开关级联而成，在控制器的作用下，可以按照一定的扫描路径进行1×N的一维或者M×N阵列的二维激光扫描. 衍射器件可用微光学的光刻技术，在掩模版上刻蚀任意孔径形状的衍射光学元件[3]. 用CCD相机和图像采集卡配合PC机，实时采集、显示、处理和分析衍射图样.

图1 激光衍射实验仪的结构图

电光扫描器的设计方案有很多种类型，图2所示为基于1×2电光开关多级级联的1×N扫描器，可以通过改变偏振分束器的放置方式，设计成M×N的二维阵列. 电光扫描器由2部分组成：第1部分为铌酸锂晶体电光开关K1，K2,…，Kn；第2部分为偏振分光棱镜或者偏振分束器(PBS)[4]，也可以采用其他类型的电光开关进行分束. 图3为1×N电光开关原理示意图. 波长为λ、振动方向平行于坐标x方向的激光沿着晶体光轴方向z进入铌酸锂晶体,当在金属电极部分不施加横向半波电压时,到达PBS的振动方向不变,直接通过偏振分光棱镜沿着原方向出射;如果对铌酸锂晶体施加横向半波电压,由于铌酸锂晶体的横向电光效应而使得其感应主轴绕z轴转动了45°,光信号到达偏振分光棱镜时振动方向发生了旋转,在偏振分光棱镜分光面发生全反射,再经过1次全反射沿同原方向平行的方向出射. 多级级联的1×2电光开关通过计算机控制铌酸锂晶体上半波电压的施加与否，实现一维或者二维的光束扫描.

图2 1×N电光扫描器示意图

图3 1×N电光开关原理示意图

图4 N×N阵列光斑示意图

图4所示为典型的阵列光斑示意图，激光从光斑1开始，由控制器控制激光依次转向光斑2，光斑3，……，光斑16. 根据实际需要在计算机控制软件中也可以设置其他N×N个扫描光斑的扫描路径. 相应的光刻掩模版上的衍射器件的排列、中心间距与扫描光斑的排列和间距相同，这样激光光斑每扫描1次，可照射1个衍射器件，使其产生夫琅禾费衍射. 衍射图像可由CCD相机配合透镜等光学元件组成的图像采集与处理系统进行存储、显示和分析[5].

2 实验结果

实验设计了3×3阵列扫描器[4]，由4级电光开关级联而成，由于晶体材料成本原因，第4级电光开关中只用了1个分束器，从第3级电光开关出射的8束光经过第4级中的1个分束器后变为9束，因此设计成了3×3阵列扫描器，如果第4级电光开关的8个分束器全部使用，则最多可以输出16束激光，在实际设计中可以根据需要自行选择. 每级中单个晶体尺寸5 mm×5 mm×50 mm，扫描器总长度为250 mm，半波电压约800 V，激光波长为635 nm，衍射版中每个衍射物的尺寸约1 mm×1 mm，阵列间距约10 mm.

图5和图6所示为光学实验中典型的几何图形单缝、双缝、光栅、正三角形孔、正六边形孔径、矩孔、圆孔的夫琅禾费衍射图样. 从图5～6中的实验结果可以看出，这些夫琅禾费衍射图样同教材以及文献的结果吻合[6].

图5 单双缝和光栅的夫琅禾费衍射图样

图6 矩孔、正三角形孔、圆孔和正六边形孔的夫琅禾费衍射图样

图7所示为将26个英文字母作为衍射屏，得到的夫琅禾费衍射图样. 根据字母屏的衍射图样分布的特点，将26个字母分为2类：第1类是不同倾斜角度的单缝的组合衍射，如字母A，E，F,H,I，K，L，M，N，T，V，W，X，Y和Z；第2类是单缝和圆弧形孔径的组合衍射，如字母B，C,D，G，J，O，P，Q,R，S和U.

图7 26个字母孔径的衍射图样

此外，为了丰富实验内容，还进行复杂图案的夫琅禾费衍射实验，如图8所示.

图8 复杂图案的衍射图样

根据课堂演示和实验要求，当需要某种或者某些形状的衍射孔径进行实验时，首先用微光学技术制作相应的衍射器件，确定这些衍射器件的排列方式，通过给电光开关控制器下达特定指令，电光开关偏转激光束对准相应的衍射器件，从而产生夫琅禾费衍射图样，由CCD相机记录，计算机进行存储、分析和处理. 本文设计的激光衍射实验仪具有自动扫描、快速高效、衍射孔径类型多、演示效果好等特点.

3 结束语

基于电光扫描器的激光衍射实验仪除了可以实现典型的简单孔径的夫琅禾衍射实验演示外，还可以进行复杂衍射孔径的实验；可以通过扩大衍射孔径的尺寸，拓展到菲涅耳衍射现象的演示实验；还可以进行激光束无机械扫描的演示实验，功能多样，方便快捷.