FB720型聲光效應(yīng)與激光超聲光柵實(shí)驗(yàn)儀講義

FB7聲光效應(yīng)與激光超聲光柵實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)講義浙江大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心PAGEPAGE7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1922年布里淵（Brillouin.L）曾預(yù)言液體中的高頻聲波能使可見(jiàn)光產(chǎn)生衍射效應(yīng)一樣，在101935年拉曼（Raman.C.V）和奈斯（Nath）發(fā)現(xiàn)，在一定條件下，聲光效應(yīng)的衍射光強(qiáng)分布類似于普通光柵的衍射。這種進(jìn)行在介質(zhì)液體中的聲速測(cè)量?！緦?shí)驗(yàn)原理】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(guò)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。圖1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Y方向的高度h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U(Y,t)2U coskycost理論0 s S證明它使得介質(zhì)在Y方向的應(yīng)變是：S2Ssinkycos0 s s

（1）可見(jiàn)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S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：(1 )S （2）n21其中n是介質(zhì)的折射率，是應(yīng)變引起的 的光n2彈系數(shù)，由于在諸如水這樣的各向同性的介質(zhì)中，圖1 與S都是標(biāo)量，對(duì)于駐波聲場(chǎng)：n32

ycost

ycost（3）0 s s s s1公式中An3S2 上，折射率是以：

為超聲波引起介質(zhì)的折射率變化的幅值，這樣在聲波傳播的Y方向n0

n0

2Asinks

ycoss

（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(kāi)形成稀疏區(qū)，因此在振動(dòng)過(guò)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2A用表示105倍這些2B就是水介質(zhì)中的局部放大而引起相位變化,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)光束通光層，聲場(chǎng)光柵就此形成見(jiàn)圖3。超聲致光衍射（超聲光柵）在超聲波的頻率較高時(shí)（即較小與光柵的作用相同當(dāng)光通過(guò)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)（f100MHz，而超聲水槽的厚度L較長(zhǎng)滿足2L2 條件，屬于布拉格衍射超聲水槽類似一個(gè)體光柵；當(dāng)L不是很長(zhǎng)，超聲波的頻率也不是很高（10MHz左右）2L2，屬于拉曼-乃斯衍射，是位相光柵。常稱為超聲光sinK1, 2 (5)（其中為超聲波之波長(zhǎng)，是衍射角，K為衍射波級(jí)數(shù)，是光波波長(zhǎng)）【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹考由罟鈻叛苌湟?guī)律的認(rèn)識(shí)。了解聲—光相互作用現(xiàn)象——聲光效應(yīng)。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】FB720型聲光效應(yīng)與激光超聲光柵實(shí)驗(yàn)儀1套。半導(dǎo)體激光器提供整個(gè)儀器的光源。透鏡起到擴(kuò)束作用，焦距為2cm。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800kHz與10MHz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)螺絲，可方便地測(cè)量成象條紋的寬度?！緦?shí)驗(yàn)內(nèi)容】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800kHz。長(zhǎng)還可從駐波形成的公式來(lái)分析當(dāng)Dn 時(shí)入2D的大小與n值有關(guān)。所以實(shí)驗(yàn)中可以改變信號(hào)發(fā)生器輸出頻率，就能觀察到多次形成條紋成象，當(dāng)然條紋的間距寬度會(huì)發(fā)生變化。圖6利用該現(xiàn)象可以測(cè)量在介質(zhì)中的聲速。如果相鄰兩條紋之間的距離為，可以利用相似三角形的原理得到：2S S1

S1 （6）2如果f為超聲波的頻率，從而可以得到液體中聲速為：2SCf

SS1f （7）1 2也可從駐波形成的原理來(lái)進(jìn)行測(cè)量，固定D為確定值的時(shí)候，在Dn2

時(shí)入射波的大小與n值有f范圍內(nèi)，調(diào)節(jié)f的大Dn可以找到多個(gè)形成條紋象相對(duì)應(yīng)的f2形成點(diǎn)耒判斷n值的變化。因

C則ff

n2D

對(duì)該公式取微分，即dfdn

C2D （8）如果令dn1則： df

C 或 C2Df （9）2D這里fD讀出精確測(cè)定f的大小，進(jìn)而求出聲速。：10MHz以上，這時(shí)采用圖7--乃斯衍射，sinK很小，實(shí)驗(yàn)中如能測(cè)量出屏與水槽之間的距離S2以及0級(jí)到K級(jí)條紋的間距T，由公式得： K （10）sin因?yàn)楫?dāng)角度很小的時(shí)候，可以近似地利用：sin tg

Ts 得出：KS2T如果知道聲波頻率f，則聲速：

2， KS【實(shí)驗(yàn)步驟】

Cf

T 2f （12）聲場(chǎng)光柵測(cè)聲速（選擇800kHz低頻超聲頭）6設(shè)置f20mm的凸透鏡將入射平行激光束散射，其與玻璃容器的中心距離定為170mm左右，玻璃容器中心與投射屏之間的距離為500mm打開(kāi)激光發(fā)生器，根據(jù)激光束，仔細(xì)調(diào)節(jié)使其三者同軸，在一條水平線上。控制室內(nèi)的光線。打開(kāi)超聲波發(fā)生器，仔細(xì)觀察水槽，可以看到在超聲頭作用下的水波漣，通過(guò)調(diào)節(jié)振幅及頻率，直到屏幕上光柵投影圖案最為清晰。條紋的測(cè)量可以按圖8所S

N1 N1中是N條紋數(shù)是N條紋的N1間隔長(zhǎng)度。實(shí)驗(yàn)中也可測(cè)出光屏上各條紋的位置Dn出的平均值。Sf

S, S1

67再次測(cè)量屏上的條紋的間隔長(zhǎng)度，將數(shù)據(jù)紀(jì)錄于下表：f (kHz)S S S(mm)S(mm)1S(mm)2S(mm)6(mm)(mm)C(m/s)f1注：表中Sf

20mm，S1

(Sf

S)20mm；S1

SN1

，圖8中N7。利用公式測(cè)量出液體中的聲速，并測(cè)量出水的溫度t的經(jīng)驗(yàn)公式加以修正得聲速的理論值：C15570.024574t)2m/s求出速度之理論值并與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比求出相對(duì)誤差。超聲光柵（選擇10MHz的超聲頭，儀器設(shè)置如圖7操作與聲場(chǎng)光柵實(shí)驗(yàn)類同忽略。測(cè)量0級(jí)與K級(jí)衍射條紋的間距T，有關(guān)