超声光栅实验及数据处理

- 1 -超声光栅实验北京信息科技大学物理实验室【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】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- 2 -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）ksin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）flk/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）kklf/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】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线 4的位置。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kl V出的声速 与理论值 比较，得出百分误差。Vt【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(V00t测微目镜分辨率： ls0.01mm 信号频率 ：信号频率分辨率： 0.001MHzklfV10%E%，P表 1.衍射级次 和衍射谱线位置tVkk/ mmkL(mm)Llk/0(mm)kkll-3-2-10123平均值- 5 -【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。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。