液体声光衍射的实验分析

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1、液体声光衍射的实验分析摘要：木文通过实验分析了液体中的声光衍射的特点，液体中的声光相互作用为典型的拉曼-奈斯衍射。实验测得的衍射光强分布与理论规律相符合。表明衍射条纹的方位由相位光栅方程决定，衍射条纹的强度由相应阶次的函数值(n)决定。对于确定的介质，存在一最佳声场功率使得高级次的衍射光强度最大。关键词：声光衍射拉曼奈斯衍射折射率1.引言超声波通过介质时会造成介质的局部压缩和伸长而产生弹性应变，该应变随时间和空间作周期性变化，使介质出现疏密相间的现象，如同一个相位光栅。当光通过这一受到超声波扰动的介

2、质时就会发生衍射现象，其衍射光的强度、频率、方向等都随着超声场的变化而变化，这种现象称Z为声光效应。早在1922年，布里渊(Brillouin)就预言了声光效应的存在，1932年，由美国的德拜和希思(DebyeandSears)＞法国的卢卡斯和毕瓜德(LucasandBiquard)在实验上得到证明［1］。20世纪60年代以后，激光的问世及高频换能器(100MH7以上)的产生极大地促进了声光效应理论和应用研究的迅速发展。山于利用声光效应可以快速而有效地控制激光束的频率、方向和强度，大大地扩展了激光的

3、应用范围，很快出现了许多性能优异的声光器件。按照声波频率的高低及声波和光波作用长度的不同，声光相互作用可以分为拉曼纳斯衍射和布喇格衍射两种类型。当超声频率较低，光波平行于声波面入射（即垂直于声场传扌番方向），声光互作用长度较短时，在光波通过介质的时间内，折射率的变化可以忽略不计，则声光介质可近似看做相对静止的“平Mi相位光栅”，产生拉曼纳斯衍射。由于声速比光速小得多，而口对于液体介质，一般超声波长在10〜4m量级，可见光波长在10〜7m量级，声光相互作用的长度约为几个厘米，声波长比光波长大得多,所以

4、当光波平行通过介质时，几乎不通过声波面，因此只受到相位调制，即通过光密（折射率大）部分的光波波阵面将推迟，而通过光疏（折射率小）部分的光波波阵面将超前，于是通过声光介质的平面波波阵面出现凹凸现象，变成一个折皱曲面。由出射波阵面上各子波源发出的次波将发生相干作用，形成与入射方向对称分布的多级衍射光。因此液体介质的声光相互作用为拉曼奈斯衍射类型。[2]木文通过实验就液体介质的声光效应进行了探究，结合相关理论分析了液体介质中超声光栅的形成机理，验证了液体中的声光衍射为拉曼纳斯衍射，并定性分析了衍射条纹和光

5、强分布的特点及影响条纹分布的因素。1.实验方案2.1实验原理设介质中的声波为一宽度为L的平面纵波，波矢L指x轴正向，入射光波矢量Ks指向y轴正向，二者相互正交。考虑光波的速度（108m/s）远大于液体中声波的速度（103m/s）和声波引起介质的折射率变化很小的情况下，略去介质折射率分布対时间的依赖关系，介质中的折射率分布为实验装置如图1所示,实验测量时，先调整入射光垂直与声场传播方向入射，再调整超声频率使得出现尽可能高级的衍射光，用可变光阑选择透过不同级次的衍射光，分别测量各级衍射光的功率。测量各级

6、衍射光的见表1。其中超声频率V«=10.50MHz,入射光强1=1.382mw01.实验结果与讨论由表1的实验数据可得：1）零级的衍射光强最大，英占总入射功率的绝大部分；2）各高级次的衍射光强依次递减，且正负级次的光强近似对称分布;3）计算测量得到各级衍射光强之和为1.217mW,其与入射光强1.382mW有一定的差距，主要是由于入射光在液体池的表面有反射、在液体中传播时也有一定强度的光强被介质散射，而•且在衍射光中可能还存在未被观察到的更高级次的衍射光强。上述的实验数据与条纹分布、光强分布的理论一

7、致：1）由式（4）可见，各级衍射光的极人值规律与普通光栅衍射的光栅方程相同，对应的光栅常数即为入射的声波波长；各高级衍射条纹对称排列在零级衍射条纹两侧。5）各级衍射光强正比于函数。由图1可知，当所加驱动功率使得u分别取值1・85,3.06,4.21时，相应的高级次衍射光出现极大值，且各级极大值分别为入射光强的33.86%,23.67%,1&83%。因此对于一定介质,应存在一最佳的声场驱动功率，能使得不同高级次的衍射光强最大。需要说明的是，实验测量中由于无法获得介质中的超声场功率，从而实验测得的衍射光

8、强分布数据与数值计算得到的光强不可比，但测量得到的各级衍射光强的分布趋势与数值计算分布规律相符。4・结语根据声场对光场的衍射作用，液体介质声光效应为典型的拉曼一奈斯衍射。衍射极大的方位由相应的“相位光栅”方程决定，衍射条纹将对称分布于零级衍射条纹两侧。各级次衍射光的强度山函数3）的值决定，由于v值与声场驱动率，声光作用长度，以及入射光的波长有关，因此対于确定的介质，应存在一最佳的声场驱动功率使得高级次的衍射光强度最大。参考文献：[1][德]马科斯•玻恩，[美]埃米尔•