超声光栅及声速的测量.doc

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1、声光效应与超声光栅实验（FB720型声光效应与激光超声光栅实验仪）实验讲义浙江大学物理实验教学中心杭州精科仪器有限公司7声光效应与超声光栅实验概论超声波在液体介质中传播时，将引起液体介质的弹性应变，从而引起介质折射率的变化。声压的周期性变化决定了折射率的变化具有时间和空间上的周期性。当光束通过有超声波的介质后，尤如通过一个相位光栅，如果该光栅间隔适当的小，就会与正常光栅一样观察到衍射现象，正如年布里渊（）曾预言液体中的高频声波能使可见光产生衍射效应一样，在年后被实验证实。年拉曼（）和奈斯（）发现，在一定

2、条件下，声光效应的衍射光强分布类似于普通光栅的衍射。这种声光效应称做拉曼—奈斯声光衍射。这就是声光效应的典型实例，本实验利用该物理现象，进行在介质液体中的声速测量。【实验原理】1．声光效应与声场位相光栅的形成：声波是一种机械应力波，若把这种应力波作用于声光介质（如水，玻璃等透明介质）中，就会引起压缩与伸张效应，使介质内部产生疏密层次变化。由于介质折射率与介质密度成正比，所以介质密度周期性的变化，必将导致介质中折射率发生周期性的变化。如声波在传播的过程中，遇到反射产生信号叠加产生驻波，就会更加加剧上述现象

3、。图为水介质在超声作用下的汇聚起来的水波涟，显示在超声波的作用下引起介质内的应变。设如果介质在方向的高度正好是超声波半波长的整数倍，在受到底部反射后就在介质中形成驻波场，有，理论证明它使得介质在Y方向的应变是：（1）可见驻波的作用可以成倍的引起振幅应变的变化，所以要使实验现象明显，本实验刻意放置在驻波声场中进行。介质的应变引起的折射率发生相应的变化，它们的关系可以表示为：（2）其中是介质的折射率，是应变引起的的光弹系数，由于在诸如水这样的各向同性的介质中，图与都是标量，对于驻波声场：7（3）公式中为超声

4、波引起介质的折射率变化的幅值，这样在声波传播的方向上，折射率是以：（4）的规律发生变化,使介质内部疏密层次也发生相应的变化。由驻波振动原理可知驻波波节两侧的波段振动方向永远相反，设一波节点，某时刻波节两侧质点涌向该点形成密集区，而在半个周期后质点又左右散开形成稀疏区，因此在振动过程中相邻节点光密与光疏交替排列，每隔半个周期交替变化，而同一时刻相邻波节附近的密集与疏稀正好相反，见图A。显见液体密度的空间变化间距正好为超声波之波长，用表示当光线垂直于超声波传播方向透过超声场后，由于入射光的波速是声波的倍,这

5、些变化被忽咯，因此介质在空间的分布可以认为是静止的，图就是水介质中的局部放大图形，表示某瞬间水介质密度的排列情况。因此在光通过介质层时只有光速发生变化，从而引起相位变化,而光的振幅不变，使平面的光波波阵面变成褶皱波阵面，这样当光束通过有超声驻波场的介质时，就会产生光栅效应，介质密的地方形成阻光层，光疏处形成透光层，声场光栅就此形成见图。72．超声致光衍射（超声光栅）在超声波的频率较高时（即较小）与光栅的作用相同。当光通过超声区域时产生了与正常光栅一样的衍射现象，经研究表明，超声波的频率很高时（），而超声

6、水槽的厚度较长，满足条件，属于布拉格衍射，超声水槽类似一个体光栅；当不是很长，超声波的频率也不是很高，（左右）满足，属于拉曼-乃斯衍射，是位相光栅。常称为超声光栅。对于拉曼--乃斯衍射其衍射规律与平行光通过平面透射光栅产生的衍射相似,符合以下所示的光栅方程:(5)（其中为超声波之波长，是衍射角，为衍射波级数，是光波波长）【实验目的】1．加深光栅衍射规律的认识。2．了解声—光相互作用现象——声光效应。3．利用声光效应演示超声光栅现象，并测量声波在液体中的传播速度。【实验装置】型声光效应与激光超声光栅实验仪

7、1套。71．半导体激光器提供整个仪器的光源。2．透镜起到扩束作用，焦距为。3．水槽：通常提倡使用水做介质，特别以清洁的矿泉水为首选，因为一旦水质较差，含有杂质，会影响光的透明度。4．超声头：为了演示清晰的图象，超声头必须功率强大，性能稳定，因此整台仪器最关键的部件是超声头，根据设计要求，超声头有两只，它们的谐振频率分别为与左右，各自承担声场与超声场的工作。每只超声头都配有三维调节支架，可以方便地将超声头的平面调节到与水槽底面完全平行，以求获得最好的工作效果。5．白屏：标有毫米刻度，并装有左右二维的调节螺

8、丝，可方便地测量成象条纹的宽度。【实验内容】1.声场光栅的演示及声速测量：声场光栅就是超声波波阵面轮廓成象，由于光波波阵面变成褶皱波阵面，通光的能力随褶皱波阵面产生周期性的变化，其图形是明暗相间等间距的分布条纹，是超声波对光调制的结果，其图象如图5，实验装置如图6，为了方便实验的操作，超声波的频率适当选择在。由实验原理分析可以知道该条纹的间距，就是超声波之波长。还可从驻波形成的公式来分析，当时入射波与反射波形成驻波，如果为确定值时，可以调节