声光衍射实验

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1、声光衍射实验引言　　20世纪初，布里渊曾预言：有压缩波存在的液体，当光束沿垂直于压缩波传播方向以一定角度通过时，将产生类似于光栅产生的衍射现象。布里渊的预言，不久被实验所证实。后来，人们不仅在液体中，而且在透明固体中也发现了这种现象。利用压电换能器在透明固体中激发超声波，让光通过，观察到了超声波中的光衍射现象。激光器出现之后，这种实验变得异常简单。自那时起到现在，人们对声光衍射现象作了大量的实验和理论研究。归结起来，声光衍射的实验测量主要包括两方面的内容：1．光学测量(测量衍射光强、衍射角、衍射光的偏振方向、衍射光的频率与

2、入射光强、入射角、入射光的波K、驱动源频率、驱动功率、声光互作用介质的关系)；2．电输特性测量(行波器件的电输入特性与声光互作用介质、压电换能器、匹配网络的关系；驻波器件的电输入特性与声光互作用介质、压电换能器、匹配网络的关系)。驻波声光调制器的工作原理　　声波是一种弹性波（纵向应力波），在介质中传播时，它使介质产生相应的弹性形变，从而激起介质中各质点沿声波的传播方向振动，引起介质的密度呈疏密相间的交替变化，因此，介质的折射率也随着发生相应的周期性变化。超声场作用的这部分如同一个光学的“相位光栅”，该光栅间距（光栅常数）等

3、于声波波长。当光波通过此介质时，就会产生光的衍射。其衍射光的强度、频率、方向等都随着超声场的变化而变化。　　声波在介质中传播分为行波和驻波两种形式。图1所示为某一瞬间超声行波的情况，其中深色部分表示介质受到压缩、密度增大，相应的折射率也增大，               图1超声行波在介质中的传播      图2超声驻波　　而白色部分表示介质密度减少，对应的折射率也减少。在行波声场作用下，介质折射率的增大或减小交替变化，并以声速（一般为10m/s量级）向前推进。由于声速仅为光速的数十万分之一，所以对光波来说，运动的“声光栅

4、”可以看作是静止的。　　F-SGl080型声光效应实验仪利用石英晶体／ZF6驻波声光调制器，它由两部分构成，一是声光晶体：声光晶体由压电换能器(XO°切石英晶体)和声光互作用介质(ZF6)组成。为了在声光介质中形成驻波，沿声传播方向上声光介质的两个面要严格平行，平行度要优于λ／5。压电换能器与卢光介质焊接成一体。二是驱动源：驱动源是一个正弦波高频功率信号发生器。驱动源提供的正弦高频功率信号(见图3a)，通过匹配网络加到压电换能器上，换能器发出的超声波沿　　x正方向传播，到达对面后，被全反射，反射波沿x负方向传播，声光介质中

5、如同存在两列频率相同、振幅相等且沿相反方向传播的超声波。图3b所示就是这种波在十个彼此相等的瞬时间隔时的情况。沿正x方向传播的发射波用虚线表示；沿负x方向传播的反射波用实线表示；它们的叠加用点划线表示。不难看出，叠加波具有相同的波长，只是在空间不产生位移。这种有两个彼此相对的行波组成的振动称为驻波。在驻波中，彼此相距^／2的各点完全不振动，这些点称为波节。位于两波节中间的点是波腹，这些点上的振动最大。另外，显而易见的是每隔l／2T秒，振动即完全消失(图1b中从上往下数3，5，7，9行的瞬时)，驻波的最大值也位于这些瞬时间隔

6、的中间(2，4，6，8，10)，而且每经过这个时间间隔，在波腹处的振动的相位相反。沿x正方向和负方向传播的振动可以写成如下形式: 图3驻波声光调制器（a）；声光介质中超声驻波的形成过程（b）　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　应用加法定理可得到合成驻波的表达式　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(1)　　由此可直接得出，在cosKx等于零的各点，位移a恒等于零；这是在x等于π／2的奇数倍时产生的。cosKx的

7、绝对值最大的点位于这些点的中间。将(1)式对时间微分，即可得到驻波情况质点振动速度的表达式：　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(2)　　(2)说明，质点振动速度的波节和波腹与位移的波街和波腹在相同的点上。　　现在来研究驻波中声压分布的问题。在沿x方向传播的波中，声压p与沿x方向位移的变化da／dx成正比。将(1)式对x微分，得　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(3)　　声压波节的位置与位移波腹的位置相合或者相反。图4驻波中质点振动速度和声压p的分布　　图4

8、所示是在驻波中两个时间间隔相差半个周期的速度和声压的分布情况。箭头表示质点运动的方向。不难看出，速度与位移的波节和波腹相距^／4，且每经过半个周期全部稠密变成稀疏或者与此相反．在这两个时期之间，有个时间所有质点的位移都为零。如果振动的频率为f，则驻波的这种“出现”和“消失”在每秒钟内产生2f次。当声波垂