实验311超声光栅实验讲义.doc

实验3.11 超声光栅及应用1922年布里渊（L.Brillouin）曾预言，当高频声波在液体在传播时，如果有可见光通过该液体，可见光将产生衍射效应这一预言在10年后被验证，这一现象被称作声光效应1935年，拉曼(Raman)和奈斯(Nath)对这一效应进行研究发现，在一定条件下，声光效应的衍射光强分布类似于普通的光栅，所以也称为液体中的超声光栅后来，由于激光技术和超声波技术的发展，使声光效应得到了广泛的应用如制成声光调制器和偏转器，可以快速而有效地控制激光束的频率、强度和方向，他在激光技术、光信号处理和集成通信技术等方面有着非常重要的应用实验目的】1. 了解声光效应的原理2. 掌握利用声光效应测定液体中声速的方法实验仪器】超声光栅实验仪（数字显示高频功率信号源，内装压电陶瓷片PZT的液槽），钠灯，测微目镜，透镜及可以外加液体（如矿泉水）实验原理】在透明介质中，有一束超声波沿着OZ方向传播，另一束平行光垂直于超声波传播方向（OY方向）人射到介质中，当光波从声束区中出射时，就会产生衍射现象实际上，由于声波是弹性纵波，它的存在会使介质（如纯水）密度ρ在时间和空间上发生周期性变化，如图3.11-1所示。

即 （3.11-1）式中，Z为沿声波传播方向的空间坐标，ρ为t时刻Z处的介质密度，ρ0为没有超声波存在时的介质密度，ωs为超声波的角频率，Λ为超声波波长，∆ρ为密度变化的幅度因此介质的折射率随之发生相应变化，即 （3.11-2）式中n0为平均折射率，∆n为折射率变化的幅度图3.11-1 超声光栅的实验原理图OYZ考虑到光在液体中的传播速度远大于声波的传播速度，可以认为在液体中，由超声波所形成的疏密周期性分布，在光波通过液体的这段时间内是不随时间改变的，因此，液体的折射率仅随位置Z而改变，即 （3.11-3） 由于液体的折射率在空间有这样的周期分布，当光束沿垂直于声波的方向通过液体后，光波波阵面上不同部位经历了不同的光程，波阵面上各点的相位为 （3.11-4）式中，L为声速宽度，ω为光波角频率，c为光速通过液体压缩区的光波波阵面将落后于通过稀疏区的波阵面原来的平面波阵面变得褶皱了，其褶皱情况由n(z)决定，见图3.11-1，可见载有超声波的液体可以看成一个位相光栅，光栅常数等于超声波波长。

声光衍射可分为两类：1. 当L≤Λ2/2πλ0（λ0为真空中的光波波长）时,就会产生对称与零级的多级衍射，即拉曼-奈斯（Raman-Nath）衍射此时和平面光栅的衍射几乎没有区别，满足下式的衍射光均在衍射角Ф的方向上产生极大光强: ，（m=0,1,2 ...） （3.11-5）2. 当L≥Λ2/(2πλ0)时，声光介质相当于一个体光栅，产生布拉格(Bragg)衍射，其衍射光强只集中在满足布拉格公式（sinφB=mλ0/(2Λ) ，m=0,1, 2 ... ）的一级衍射方向，且1 级不同时存在实现布拉格衍射需要高频（几十兆赫兹）超声源，实验条件较为复杂本实验采用拉曼-奈斯衍射装置，光路图如图3.11-2所示图3.11-2 超声光栅的光路图 实际上由于Ф角很小，可以近似认为： （3.11-6）其中lm为衍射零级光谱线至第m级光谱线的距离，f为L2透镜的焦距，所以超声波的波长 （3.11-7）超声波在液体中的传播速度 （3.11-8）式中ν为信号源的振动频率。

【实验内容】仪器装置见图3.11-3所示 图3.11-3 超声光栅仪器装置图1．点亮钠灯，照亮狭缝，并调节所有器具同轴等高2. 液槽内充好液体后，连接好液槽上的压电陶瓷片与高频功率信号源上的连线，将液槽放置到载物台上，且使光路与液槽内超声波传播方向垂直3．调节高频功率信号源的频率（数字显示）和液槽的方位，直到视场中出现稳定而且清晰的左、右各二级以上对称的衍射光谱（最多能调出级），再细调频率，使衍射的谱线出现间距最大，且最清晰的状态，记录此时的信号源频率4. 用测微目镜，对矿泉水（液体）的超声光栅现象进行观察，测量各级谱线到相邻一级的位置读数，注意旋转鼓轮的方向应保持一致，防止产生空程误差（螺距差）利用公式3.11-8求出超声波的波长数据处理】记录数据：超声波频率v HZ， L2透镜的焦距f 表3.11-1 数据记录表谱线m测微目镜读数Xlm =(Xm – X-m)/2+4-4+3-3+2-2+1-1 计算出声速平均值，并求百分误差20℃时，，水中标准声速VS=1480.0m/s) 【思考题】1. 实验时可以发现，当超声波频率升高时，衍射条纹间距加大，反之则减小，这是为什么？2. 由驻波理论知道，相邻波腹间和相邻波腹节间的距离都等于半波长，为什么超声波光栅常数等于超声波的波长呢？3. 超声光栅与平面衍射光栅有何异同？。