超声光栅效应及应用

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1、超声光栅效应及应用摘要超声光栅效应是声光相互作用的一种典型类型，尤其是在声光作用距离较小情况下，光波通过介质时，介质折射率形成近似不随时间变化的空间周期性分布，因而光波通过这种周期性分布的介质时，其位相会受到调制。超声光栅是一种可擦除的实时光栅，其光栅常数可以通过超声波的频率来控制,利用超声光栅技术可以对声波特性(如频率、波速、波长、声压衰减、相位等)等进行测量。随着激光技术的发展,声光相互作用在控制光的强度、传播方向等方面又得到了新的应用，因此越来越受到人们的关注。本文研究了液体中声光相互作用的机理，包括介质中声波的传播形式、声光相互作用的类型，着重研究了声光拉曼-奈斯衍射的机理

2、，以及声光拉曼-奈斯衍射在超声声速和液体浓度测量中的应用。理论和实验研究结果表明:（1）对于同一种入射光，在相同浓度的液体中，存在一超声频率使得衍射的级数最多，衍射的条纹亮度最高,此应恰好是超声换能器的共振频率，该频率应在10.30MHz附近。（2）利用高压汞灯不同谱线测量得到超声声速值与公认值比较符合，测量精度较高。（3）利用He-Ne激光作为光源，测得的声速值与公认值差别较大。此由于激光强度大，衍射光斑尺寸大，测量衍射条纹间距时精度较低的原因。由于超声作用将导致光纤布拉格光栅(FBG)发生微弯曲,从而对FBG的纤芯折射率作出相应的调制,使得FBG的反射谱和透射谱发生显著的变化。

3、利用该特点,国外研究者已经实现了基于超声调制FBG传感器、可调谐反射器、光开关、光纤滤波器等。首先,对超声检测中的超声波以及超声换能器进行了简单的介绍,提出检测应用中超声波的优点,并介绍了超声波的类型,同时对超声换能器产生超声波的原理和超声换能器的结构作了介绍。其次,从光栅基本理论出发,得出了超声作用导致光栅横向振动时光栅中存在三种主要的耦合方式,提出了经过修正之后的耦合模方程,根据失谐量定义,从相位匹配条件出发,定性地分析了光栅横向振动的反射谱特性。另外,从光栅超晶格理论出发,本文也简单介绍了纵向振动反射谱特性。第三,提出了基于Newton-Raphson方法的算法,对横向振动反

4、射谱特性进行了数值模拟,这种算法快速稳定并且收敛。同时对数值模拟的反射谱进行了详细的分析。通过对数值模拟过程中选择的耦合模数目和超声强度进行优化分析,获得的结论是:如果没特殊要求的话,多模耦合方程中只需要选择两个模式就可以得到较精确的谱线。最后,根据理论分析,计算了要产生一阶包层模需要的超声波长以及对应的超声换能器频率,并进行了光纤光栅超声横向振动实验。测量了不同超声功率下FBG的反射谱。实验结果与理论基本相吻合。西安工业大学学士学位论文超声波从1880年居里发现了压电现象以及1893年Galton发现了超声哨子时，就建立了超声波领域。1986年,英国皇家化学会在Warmick大学

5、召开了第一次声振化学(sonochemistry)会议,反映了本领域的研究进展，引起了工业界和学术界的兴趣,声振化学的发展已能与光化学、激光化学、热化学和高压化学相提并论。超声波和声波一样,是物质介质中的一种弹性机械波,只是频率不同。超声学是涉及20kHz以上频率声波的一个声学分支，人耳一般听不见，它在介质中传播形式可分为两种情形:（1）低振幅传播。此时,超声波并不改变所通过材料的理化特性,超声波测量就主要是由这类超声波完成；（2）高能传播。此时,超声波对传播介质发生影响。在弹性介质中传播的超声波的频率f和周期T一般取决于声源的振动频率和周期，它们与介质本身的特性无关。而超声波是通

6、过电磁振荡与机械振动的转换来实现,超声波的发生通常有三种方法：磁控振荡、压电晶体振荡和机械振荡,前两种方法一般不适合液体乳化混合操作,比较适用的是机械振荡方法，完成这种转换的装置称为电声换能器。由于超声波的波长很短,频率很高,因而具有一系列与通常声波不同的特点。由于超声波的波长比在同样介质中的声波波长短得多,衍射现象不明显,所以可以像光一样沿直线传播,具有很好的定向性。超声波同样有干涉现象,能产生驻波。实验证明超声波遵守折射和反射定律,能够加以汇聚,以获得巨大能量。由于波的强度正比于频率的平方,所以在相同的振幅时,超声波比普通声波具有大得多的能量。超声波应用的研究由来已久，20～1

7、00kHz的超声波作为能量作用：用于清洗、塑料熔接及许多化工过程。2～10MHz的超声波作为传播作用：用于医学扫描、化学分析及松弛现象的研究。一般认为超声在物质介质中的相互作用的强弱与超声波的频率和强度有关，超声波的作用可归纳为以下几个方面[1]：（1）加热作用：介质总体温度的上升是由于吸收声波。（2）结构影响：当流体放置于高强声场中时，动力搅拌和剪切应力将影响其结构特性。（3）压缩和松弛作用：当高强声能波通过固体介质时，将会出现快速的压缩和松弛作用。（4）声冲流：高