超聲光柵及聲速的測(cè)量.doc

《超聲光柵及聲速的測(cè)量.doc》由會(huì)員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在教育資源-天天文庫(kù)。

1、聲光效應(yīng)與超聲光柵實(shí)驗(yàn)（FB720型聲光效應(yīng)與激光超聲光柵實(shí)驗(yàn)儀）實(shí)驗(yàn)講義浙江大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心杭州精科儀器有限公司7聲光效應(yīng)與超聲光柵實(shí)驗(yàn)概論超聲波在液體介質(zhì)中傳播時(shí)，將引起液體介質(zhì)的彈性應(yīng)變，從而引起介質(zhì)折射率的變化。聲壓的周期性變化決定了折射率的變化具有時(shí)間和空間上的周期性。當(dāng)光束通過有超聲波的介質(zhì)后，尤如通過一個(gè)相位光柵，如果該光柵間隔適當(dāng)?shù)男?，就?huì)與正常光柵一樣觀察到衍射現(xiàn)象，正如年布里淵（）曾預(yù)言液體中的高頻聲波能使可見光產(chǎn)生衍射效應(yīng)一樣，在年后被實(shí)驗(yàn)證實(shí)。年拉曼（）和奈斯（）發(fā)現(xiàn)，在一定

2、條件下，聲光效應(yīng)的衍射光強(qiáng)分布類似于普通光柵的衍射。這種聲光效應(yīng)稱做拉曼—奈斯聲光衍射。這就是聲光效應(yīng)的典型實(shí)例，本實(shí)驗(yàn)利用該物理現(xiàn)象，進(jìn)行在介質(zhì)液體中的聲速測(cè)量?！緦?shí)驗(yàn)原理】1．聲光效應(yīng)與聲場(chǎng)位相光柵的形成：聲波是一種機(jī)械應(yīng)力波，若把這種應(yīng)力波作用于聲光介質(zhì)（如水，玻璃等透明介質(zhì)）中，就會(huì)引起壓縮與伸張效應(yīng)，使介質(zhì)內(nèi)部產(chǎn)生疏密層次變化。由于介質(zhì)折射率與介質(zhì)密度成正比，所以介質(zhì)密度周期性的變化，必將導(dǎo)致介質(zhì)中折射率發(fā)生周期性的變化。如聲波在傳播的過程中，遇到反射產(chǎn)生信號(hào)疊加產(chǎn)生駐波，就會(huì)更加加劇上述現(xiàn)象

3、。圖為水介質(zhì)在超聲作用下的匯聚起來(lái)的水波漣，顯示在超聲波的作用下引起介質(zhì)內(nèi)的應(yīng)變。設(shè)如果介質(zhì)在方向的高度正好是超聲波半波長(zhǎng)的整數(shù)倍，在受到底部反射后就在介質(zhì)中形成駐波場(chǎng)，有，理論證明它使得介質(zhì)在Y方向的應(yīng)變是：（1）可見駐波的作用可以成倍的引起振幅應(yīng)變的變化，所以要使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，本實(shí)驗(yàn)刻意放置在駐波聲場(chǎng)中進(jìn)行。介質(zhì)的應(yīng)變引起的折射率發(fā)生相應(yīng)的變化，它們的關(guān)系可以表示為：（2）其中是介質(zhì)的折射率，是應(yīng)變引起的的光彈系數(shù)，由于在諸如水這樣的各向同性的介質(zhì)中，圖與都是標(biāo)量，對(duì)于駐波聲場(chǎng)：7（3）公式中為超聲

4、波引起介質(zhì)的折射率變化的幅值，這樣在聲波傳播的方向上，折射率是以：（4）的規(guī)律發(fā)生變化,使介質(zhì)內(nèi)部疏密層次也發(fā)生相應(yīng)的變化。由駐波振動(dòng)原理可知駐波波節(jié)兩側(cè)的波段振動(dòng)方向永遠(yuǎn)相反，設(shè)一波節(jié)點(diǎn)，某時(shí)刻波節(jié)兩側(cè)質(zhì)點(diǎn)涌向該點(diǎn)形成密集區(qū)，而在半個(gè)周期后質(zhì)點(diǎn)又左右散開形成稀疏區(qū)，因此在振動(dòng)過程中相鄰節(jié)點(diǎn)光密與光疏交替排列，每隔半個(gè)周期交替變化，而同一時(shí)刻相鄰波節(jié)附近的密集與疏稀正好相反，見圖A。顯見液體密度的空間變化間距正好為超聲波之波長(zhǎng)，用表示當(dāng)光線垂直于超聲波傳播方向透過超聲場(chǎng)后，由于入射光的波速是聲波的倍,這

5、些變化被忽咯，因此介質(zhì)在空間的分布可以認(rèn)為是靜止的，圖就是水介質(zhì)中的局部放大圖形，表示某瞬間水介質(zhì)密度的排列情況。因此在光通過介質(zhì)層時(shí)只有光速發(fā)生變化，從而引起相位變化,而光的振幅不變，使平面的光波波陣面變成褶皺波陣面，這樣當(dāng)光束通過有超聲駐波場(chǎng)的介質(zhì)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生光柵效應(yīng)，介質(zhì)密的地方形成阻光層，光疏處形成透光層，聲場(chǎng)光柵就此形成見圖。72．超聲致光衍射（超聲光柵）在超聲波的頻率較高時(shí)（即較?。┡c光柵的作用相同。當(dāng)光通過超聲區(qū)域時(shí)產(chǎn)生了與正常光柵一樣的衍射現(xiàn)象，經(jīng)研究表明，超聲波的頻率很高時(shí)（），而超聲

6、水槽的厚度較長(zhǎng)，滿足條件，屬于布拉格衍射，超聲水槽類似一個(gè)體光柵；當(dāng)不是很長(zhǎng)，超聲波的頻率也不是很高，（左右）滿足，屬于拉曼-乃斯衍射，是位相光柵。常稱為超聲光柵。對(duì)于拉曼--乃斯衍射其衍射規(guī)律與平行光通過平面透射光柵產(chǎn)生的衍射相似,符合以下所示的光柵方程:(5)（其中為超聲波之波長(zhǎng)，是衍射角，為衍射波級(jí)數(shù)，是光波波長(zhǎng)）【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?．加深光柵衍射規(guī)律的認(rèn)識(shí)。2．了解聲—光相互作用現(xiàn)象——聲光效應(yīng)。3．利用聲光效應(yīng)演示超聲光柵現(xiàn)象，并測(cè)量聲波在液體中的傳播速度?！緦?shí)驗(yàn)裝置】型聲光效應(yīng)與激光超聲光柵實(shí)驗(yàn)儀

7、1套。71．半導(dǎo)體激光器提供整個(gè)儀器的光源。2．透鏡起到擴(kuò)束作用，焦距為。3．水槽：通常提倡使用水做介質(zhì)，特別以清潔的礦泉水為首選，因?yàn)橐坏┧|(zhì)較差，含有雜質(zhì)，會(huì)影響光的透明度。4．超聲頭：為了演示清晰的圖象，超聲頭必須功率強(qiáng)大，性能穩(wěn)定，因此整臺(tái)儀器最關(guān)鍵的部件是超聲頭，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，超聲頭有兩只，它們的諧振頻率分別為與左右，各自承擔(dān)聲場(chǎng)與超聲場(chǎng)的工作。每只超聲頭都配有三維調(diào)節(jié)支架，可以方便地將超聲頭的平面調(diào)節(jié)到與水槽底面完全平行，以求獲得最好的工作效果。5．白屏：標(biāo)有毫米刻度，并裝有左右二維的調(diào)節(jié)螺

8、絲，可方便地測(cè)量成象條紋的寬度?！緦?shí)驗(yàn)內(nèi)容】1.聲場(chǎng)光柵的演示及聲速測(cè)量：聲場(chǎng)光柵就是超聲波波陣面輪廓成象，由于光波波陣面變成褶皺波陣面，通光的能力隨褶皺波陣面產(chǎn)生周期性的變化，其圖形是明暗相間等間距的分布條紋，是超聲波對(duì)光調(diào)制的結(jié)果，其圖象如圖5，實(shí)驗(yàn)裝置如圖6，為了方便實(shí)驗(yàn)的操作，超聲波的頻率適當(dāng)選擇在。由實(shí)驗(yàn)原理分析可以知道該條紋的間距，就是超聲波之波長(zhǎng)。還可從駐波形成的公式來(lái)分析，當(dāng)時(shí)入射波與反射波形成駐波，如果為確定值時(shí)，可以調(diào)節(jié)