- 1 -超声光栅实验超声光栅实验北京信息科技大学物理实验室【实验目的实验目的】1 了解超声致光衍射的原理。2 利用声光效应测量声波在液体中的传播速度。【实验原理实验原理】光波在液体介质中传播时被超声波衍射的现象，称为超声致光衍射（亦称声光效应），这种现象是光波与介质中声波相互作用的结果。超声波调制了液体的密度，使原来均匀透明的液体，变成折射率周期变化的“超声光栅”，当光束穿过时，就会产生衍射现象，由此可以准确测量声波在液体中的传播速度。并且，由于激光技术和超声技术的发展，使声光效应得到了广泛的应用。如制成声光调制器和偏转器，可以快速而有效地控制激光束的频率、强度和方向，它在激光技术、光信号处理和集成通讯技术等方面有着非常重要的应用。 压电陶瓷片（ PZT）在高频信号源（频率约10MHz）所产生的的交变电场的作用下，发生周期性的压缩和伸长振动，其在液体中的传播就形成超声波，当一束平面超声波在液体中传播时，其声压使液体分子作周期性变化，液体的局部就会产生周期性的膨胀与压缩，这使得液体的密度在波传播方向上形成周期性分布，促使液体的折射率也做同样分布，形成了所谓疏密波，这种疏密波所形成的密度分布层次结构，就是超声场的图象，此时若有平行光沿垂直于超声波传播方向通过液体时，平行光会被衍射。以上超声场在液体中形成的密度分布层次结构是以行波运动的，为了使实验条件易实现，衍射现象易于稳定观察，实验中是在有限尺寸液槽内形成稳定驻波条件下进行观察，由于驻波振幅可以达到行波振幅的两倍，这样就加剧了液体疏密变化的程度。驻波形成以后，某一时刻t，驻波某一节点两边的质点涌向该节点，使该节点附近成为质点密集区，在半个周期以后，t+T/2，这个节点两边的质点又向左右扩散，使该波节附近成为质点稀疏区，而相邻的两波节附近成为质点密集区。图 1 为在t和t+T/2（T为超声振动周期）两时刻振幅y、液体疏密分布和折射率n的变化分析。由图 1 可见，超声光栅的性质是，在某一时刻t，相邻两个密集区域的距离为，为液体中传播的行波的波长，而在半个周期以后，t+T/2。所有这样区域的位置整个漂移了一个距离/2，而在其它时刻，波的现象 图 1则完全消失，液体的密度处于均匀状态。超声场形成的层次结构消失，在视觉上是观察不到的，当- 2 -光线通过超声场时，观察驻波场的结果是，波节为暗条纹（不透光） ，波腹为亮条纹（透光）。明暗条纹的间距为声波波长的一半，即为/2。由此我们对由超声场的层次结构所形成的超声光栅性质有了了解。当平行光通过超声光栅时，光线衍射的主极大位置由光栅方程决定。（k=0，1，2，） （1）kksin光路图如图 2 所示。图 2 超声光栅实验光路图实际上由于角很小，可以认为： （2）flkk/sin其中为衍射零级光谱线至第k级光谱线的距离，f为L2透镜的焦距， 为钠光波长， 所以超kl声波的波长（3）kklfkk/sin/超声波在液体中的传播速度：（4）V式中为信号源的振动频率。 【实验仪器实验仪器】实验装置主要由控制主机（超声信号源） 、低压钠灯、光学导轨、光学狭缝、透镜、超声池、测微目镜以及高频连接线组成。如图 3 所示。- 3 -图 3 超声光栅实验装置【实验过程实验过程】1.将器件按图 3 放置。低压钠灯于超声光栅试验仪相连。2.调节狭缝与透镜 L1 的位置，使狭缝中心法线与透镜 L1 的光轴(即主光轴)重合,二者间距为透镜 L1 的焦距（即透镜 L1 射出平行光） 。3.调节透镜 L2 与测微目镜的高度，使二者光轴与主光轴重合。调焦目镜，使十字丝清晰。转动测微目镜鼓轮，使可移动的竖直叉丝位于主尺刻度 3mm 至 5mm 之间。4.开启电源。调节钠灯位置，使钠灯照射在狭缝上，并且上下均匀，左右对称，光强适宜。5.将狭缝调至水平，调节 L2 位置，使测微目镜中出现一条清晰的水平线。再调节测微目镜上下或左右位置，使水平线在测微目镜的视场中央。最后将狭缝转至垂直位置，这时视场中出现一条垂直亮线，且与测微目镜的垂直叉丝重合。6将待测液体（如蒸馏水、乙醇或其他液体）注入液槽，将液槽放置于支架上，放置时，使液槽两侧表面基本垂直于主光轴。7.将高频连接线的一端接入液槽盖板上的接线柱，另一端接入超声光栅仪上的输出端。8前后移动液槽，从目镜中观察条纹间距是否改变，若是，则改变透镜 L1 的位置，直到条纹间距不变。9微调超声光栅仪上的调频旋钮，使信号源频率与压电陶瓷片谐振频率相同，此时，衍射光谱的级次会显著增多且谱线更为明亮。微转液槽，使射于液槽的平行光束垂直于液槽，同时观察视场内的衍射光谱亮度及对称性。重复上述操作，直到从目镜中观察到清晰而对称稳定的 24 级衍射条纹为止。10利用测微目镜逐级测量各谱线位置读数，测量时单向转动测微目镜鼓轮，以消除转动部件的螺纹间隙产生的空程误差（例如：从3、0、+3） 。11.自拟数据表格，记录各级各谱线的位置读数，计算第k级光谱线 各谱线至衍射零级光谱线的距离- 4 -。kl12.计算的平均值 平均值及总误差。计算液体中的声速及误差，写出标准形式 ；并将测klVV出的声速与理论值比较，得出百分误差。VtV【实验数据实验数据】单色光源波长： （589.30.3）nm透镜 L2 焦距: ff（157.00.4）mm被测液体: 液体温度 t： 声速理论值： )t(tVV00t测微目镜分辨率： ls0.01mm 信号频率：信号频率分辨率：0.001MHzklfV100%VVE%，PVV表 1.衍射级次和衍射谱线位置%100tt VVVEkk/ mmkLmmkLLlk k/0 /mmkkklll-3-2-10123平均值- 5 -【注意事项注意事项】1.调节个器件时，注意保持其同高共轴。2.液槽置于载物台上必须稳定，在实验过程中应避免震动，以使超声在液槽内形成稳定的驻波。导线分布电容的变化会对输出信号频率有影响，因此不能触碰连接液槽和信号源的导线不能触碰连接液槽和信号源的导线。3.压电陶瓷片表面与对面的液槽壁表面必须平行，此时才会形成较好的驻波，因此实验时应将液槽的上盖盖平。4.在稳定共振时，数字频率计显示的频率应是稳定的，最多只有最末尾有 12 个单位数的变动。 5.实验时间不宜过长，因为声波在液体中的传播与液体温度有关，时间过长，液体温度可能有变化。实验时，特别注意不要使频率长时间调在高频，以免振荡线路过热。6.提取液槽应拿两端面，不要触摸两侧表面通光部位，以免污染，如已有污染，可用酒精清洗干净，或用镜头纸擦净。7.实验时液槽中会产生一定的热量，并导致媒质挥发，槽壁可见挥发气体凝聚，一般不影响实验结果，但须注意若液面下降太多致使压电陶瓷片外露时，应及时补充液体至正常液面线处。8.实验完毕应将被测液体倒出，不要将压电陶瓷片长时间浸泡在液槽内。9.计算时，透镜焦距f为透镜 L2 的焦距。10.传声媒介在含有杂质时对测量结果影响较大，建议使用纯净水（市售饮用纯净水即可） 、分析纯酒精、甘油等，对某些有毒副作用的媒质（如苯等） ，不建议学生实验使用，教师教学或科研需要时，应注意安全。 11.仪器长时间不用时，请将测微目镜收于原装小木箱中并放置干燥剂。液槽应清洗干净，自然晾干后，妥善放置，不可让灰尘等污物侵入。 【思考题思考题】1.为什么声光器件可相当于相位光栅？2.怎样判断平行光束垂直入射到超声光栅面？怎样判断压电陶瓷片处于共振状态？【附录附录】纯净液体中的声速液体名称温度Cto 0速度smV0Csmo海水1715101550/普通水2514972.5甲醇2011233.3- 6 -乙醇2011803.6表中 为温度系数，对于其他温度时的声速可近似按公式计算。)(00ttVVt