超声光栅试验

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1、超声光栅实验1922年布里渊曾预言液体中的高频ab声波能使可见光产生衍射效果，经过10年ab的研究，人们观察到了光被水中的超声波衍(a+b)sin射的实验现象，从此开始了对声光相互作用的研究。1935年，拉曼和奈斯发现，一定条件下，声光效应发生的衍射的光强分布是类似于普通光栅衍射的，此种声光衍射效应被称做拉曼-奈斯声光衍射。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质时就会发生衍射现象,这种现象称之为声光效应。这种现象是光波与介质中声波相互作用的结果。它提供了一种调控光

2、束频率强度和方向的方法。一、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。二、仪器用具：JJY分光计,WSG-I超声光栅声速仪,汞灯，待测液体，三棱镜等。三、实验原理：yA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疏密疏密疏反射波叠加形成超声频率的纵向振动驻波。当Atn射单色平行光λ沿垂直于超声波传播方向通n0板过疏密相间的液体时，因折射率的周期性变nmaxnnmaxmin化使光波波阵面产生相应的相位差，经透镜A聚焦出现衍射条纹。该现象与平行光通过透yA射光栅的情形相似。因为超声波波长很短，只要超声池的

3、宽度能够维持平面波，池中液密疏密疏密反体就相当于一个衍射光栅。行波波长A相当t+T/2nnA射0于光栅常数。由超声波在液体中产生的光栅nnmaxnmin板作用称作超声光栅。minA当满足声光喇曼－奈斯衍射条件22l/A<<1时，该衍射相似于平面光栅衍射，可得如下光栅方程：Asink（1）k（式中A为光栅常数，为衍射角，k为衍射级次，λ为光波波长）当很小时有：kklksin（2）kf其中l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：kkkffA（3）sinllkkk超声波在液体中传播的声速：fVA（4）lk其中，为振荡器和锆钛

4、酸铅陶瓷片fKlk的共振频率，lk为同一色光衍lkk∮射条纹间距S仪器介绍：L1PZTL2仪器性能指标：1．输出电压：220V50Hz2．输出信号频率：8~12MHz3．工作频率：9.5~11.5MHz1为单色光源，4．测微目镜测量范围：8mm2为分光计狭缝，测量精度：0.01mm3为分光计平行光管，4为分光计载物台，1234567895为超声池接线柱，6为压电陶瓷片，7为超声池，8为分光计望远镜，9为测微目镜。平行光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

5、场，由于电场力偶的作用，电偶极矩矢量P将沿场强方向顺排，如图所示。从微观的角度P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、方向都成周期性变化，则陶瓷片的厚度就一会儿伸张，一会儿收缩，即发生振动，振动在弹性媒质中传播就是波，一旦振动频率高于20000Hz，这波就是超声波。压电陶瓷片的这种特性被称之为逆压电效应。五、实验内容方法：1、分光计调整至待测状态：先用三棱镜采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（前述步骤与“分光仪的调节”实验相同）；2、调焦使看清分划板刻线，并以平

6、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，狭缝应调至最小且与叉丝重合；3、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：黄光578.0nm（双黄线平均波长），绿光546.1nm，蓝光435.8nm（本实验不测蓝光，因为蓝光谱线有视差）。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，并用锁紧螺钉锁紧。5、将超声池平稳地放置于液体槽座内，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（使看到的超声池玻璃反回的叉丝像与目镜的黑叉丝重合）；6、将待测液体（本实验只测蒸馏水）注入超声池内，液面高度以超声池正常工作液面线为准；7、将

7、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；8、开启超声信号源电源前，先选择定时时间（为保证仪器正常使用，仪器实验时间不宜过长，故在超声信号源电源上设置了定时选择开关）。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分钟