超声光栅实验

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1、实验项目： 超声光栅实验（综合设计2-1）实验目的： 1、了解超声光栅产生原理。 2、了解声波如何对光信号进行调制。 3、测量液体（非电解质溶液）中的声速。实验仪器： JJY分光计,WSG-I超声光栅声速仪,汞灯 仪器性能指标： 1．输出电压220V 50Hz 2．输出信号频率：8~12MHz 3．工作频率9.5~11.5MHz 4．测微目镜测量范围：8mm测量精度0.01mm实验原理： 超声波传播时，若前进波被一个平面反射，会反向传播。在一定条件下入射波与反射波叠加形成超声频率的纵向振动驻波。当单色平行光λ沿垂直于超声波传播方向通过疏密相间的液体时，因折射率的周期性变化使光波

2、波阵面产生相应的相位差，经透镜聚焦出现衍射条纹。该现象与平行光通过透射光栅的情形相似。因为超声波波长很短，只要超声池的宽度能够维持平面波，池中液体就相当于一个衍射光栅。行波波长A相当于光栅常数。由超声波在液体中产生的光栅作用称作超声光栅。 当满足声光喇曼－奈斯衍射条件<<1时，该衍射相似于平面光栅衍射，可得如下光栅方程：（式中k为衍射级次，为衍射角）当很小时有： 其中为衍射光谱零级至k级的距离；f为望远镜物镜焦距。所以超声波波长： 超声波在液体中传播的声速： V=Av=  λ为光波波长，为振荡器和锆钛酸铅陶瓷片的共振频率，为同一色光衍射条纹间距实验步骤： 1、分光计调整至待测状

3、态：用自准直法调节望远镜聚焦于无穷远、望远镜光轴与分光计主轴垂直、平行光管与望远镜同轴并出射平行光，观察望远镜光轴与载物台台面平行。目镜调焦使看清分划板刻线，并以平行光管出射的平行光为准，调节望远镜使观察到的狭缝清晰，狭缝应调至最小，实验过程中无需调节；2、采用低压汞灯作光源，汞灯波长λ（其不确定度忽略不计）分别为：蓝光435.8nm，绿光546.1nm，黄光578.0nm（双黄线平均波长）。3、将待测液体（如蒸馏水、乙醇或其他液体）注入超声池内，液面高度以超声池正常工作液面线为准。4、将液体槽座卡在分光计载物台上，液体槽座的缺口对准并卡住载物台侧面的锁紧螺钉，放置平衡，并用锁

4、紧螺钉锁紧。5、将此液体槽（可称为超声池）平稳地放置于分光计的载物台上，并使超声池两侧表面基本垂直于望远镜和平行光管的光轴；6、两支高频信号线的一端各插入超声池盖板上的接线柱，另一端插入超声信号源的高频输出端，然后盖上超声池盖；7、为保证仪器正常使用，仪器实验时间不宜过长，古在超声信号源电源上设置了定时选择开关。开启超声信号源电源前，先选择定时时间。定时时间可选4档，分别为60分钟，90分钟，120分钟和不定时。拨定选择开关1号键向右边时，定时关闭，即选不定时。拨定选择开关1号键向左边，2号键向左边时，定时选定为60分。拨定选择开关1号键向左边，2号键向右边，3号键向左边时，定

5、时选定为90分。拨定选择开关1号键向左边，2、3号键向右边，4号键向左边时，定时选定为120分。8、开启超声信号源电源，频率显示窗首先会显示被选定的时间数，数秒后显示当时的震荡频率，被选时间达到前一分钟，超时报警灯开始连续闪烁，然后仪器自动停止工作，进入10分钟倒记时关机保护，此时保护状态指示灯亮；保护状态结束后，仪器将自动开机，并进入正常工作状态。9、从阿贝目镜观察衍射条纹，仔细调节频率微调，使电振荡频率与PZT晶片固有频率共振，此时，衍射光谱的级次会显著增多且更为明亮。10、如此前分光计已调节到位，左右转动超声池（通过调节分光计螺钉，细微转动分光计载物台或游标盘），使射于超

6、声池的平行光束完全垂直于超声束，同时观察视场内的衍射光谱左右级次亮度及对称性，直到从目镜中观察到稳定而清晰的左右各3－4级的衍射条纹为止。11、取下阿贝目镜，换上测微目镜，调焦目镜，使清晰观察到衍射条纹。利用测微目镜逐级测量其位置读数（例如：从－2、···、0、···、＋2），再用逐差法计算各色光衍射条纹平均间距。12、声速计算公式为：VC=式中：λ为光波波长，v为共振频率计的读数，为同一色光衍射条纹间距。F为望远镜物镜焦距。数据记录： -4-3-2-101234黄1.2711.9602.7523.4814.1454.8645.6126.384绿1.475 2.1402.810

7、3.5464.1454.8345.5016.222数据处理： 超声光栅仪的核心元件是压电陶瓷片，它是一个重要的传感器，它能把电信号转换为振动信号。为便于理解， 超声光栅仪的核心元件是压电陶瓷片，它是一个重要的传感器，它能把电信号转换为振动信号。为便于理解，可把它内部的每一个分子简化为一个正负中心不重合的电偶极子。一旦给它强加一个外电场，由于电场力偶的作用，电偶极矩矢量将沿场强方向顺排，如图所示。从微观的角度看，每个分子都顺排，在宏观上就表现为陶瓷片的外形尺寸发生变化。如果外电场大小、方向都成