超声光栅实验_.pdfVIP

实验45 用超声光栅测定液体中的声速 声光效应是指光波通过受到超声波扰动的介质时发生衍射的现象，这种现象是光波与介 质中声波相互作用的结果。由于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。 早在 1921 年布里渊（L.Brillouin）曾预言液体中的高频声波能使可见光产生衍射效应， 十年后，P.J.W.德拜和F.W.西尔斯以及R.卢卡斯和P.Biquard 分别观察到了声光衍射现象。 上世纪六十年代后，随着激光技术的出现以及超声技术的发展，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。目前， 声光效应在激光技术、光信号处理和集成通讯技术等方面有着非常重要的应用。 【实验目的】 1. 了解超声致光衍射原理。 2. 用超声光栅测量液体中的声速。 【实验内容】 1. 了解声光效应的实验原理。 2. 学习利用超声光栅测量液体中的声速。 3. 学习光路准直的调节以及读数显微镜的使用方法 【实验仪器】 实验装置由超声信号源、低压钠灯、光学导轨、光狭缝、透镜、超声池、测微目镜以及 高频连接线等组成。 【实验原理】 ƒ 压 电 陶 瓷 片 超声池 （PZT ）在高频信号源 所产生的交变电场的 zz 作用下，发生周期性 lk Φ k 的压缩和伸长振动， S 该振动在液体中的传 播就形成超声波。超 声波在液体中传播分 L 1 L2 为行波和驻波两种形 PZT 式。当一束平面超声 波行波在液体中传播 图45-1 超声光栅实验光路图 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压缩与膨胀，使液体的密度在波传播方向上 发生周期性的变化，形成所谓疏密波。液体密度的周期性变化，必然导致液体的折射率也做 同样变化，如同一个相位光栅。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形式运动的，如果实验 中，使超声波在有限尺寸的超声池内形成稳定的驻波，由于驻波振幅可以达到行波振幅的两 倍，从而加剧液体疏密变化的程度，因此，当平行光入射时更易于对衍射现象的稳定观察。 实验光路如图 45-1 所示，图中 S 为光源狭缝，L 1、L2 为透镜。 若超声行波以平面波的形式沿 Z 轴正方向传播，波动方程可写为 t z y = Am cos 2π ( − ) （45-1 ） T λ s s 式中 y 代表各质点沿 Z 方向偏离平衡位置的位移，A 表示质点的最大位移量，T 为超声波 m s 的周期，λ 为超声波的波长。如果超声波被液槽的垂直于 Z 轴的平面反射，将会反向传播， s 当反射平面距波源为波长四分之一的奇数