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超声光栅及声速的测量.doc

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声 光 效 应 与 超 声 光 栅 实 验( FB720型 声 光 效 应 与 激 光 超 声 光 栅 实 验 仪 )实验讲义浙 江 大 学 物 理 实 验 教 学 中 心杭 州 精 科 仪 器 有 限 公 司1声光效应与超声光栅实验概 论超声波在液体介质中传播时,将引起液体介质的弹性应变,从而引起介质折射率的变化。声压的周期性变化决定了折射率的变化具有时间和空间上的周期性。当光束通过有超声波的介质后,尤如通过一个相位光栅,如果该光栅间隔适当的小,就会与正常光栅一样观察到衍射现象,正如 年布里渊( )曾预言液体中的高频声波192LBriloun.能使可见光产生衍射效应一样,在 年后被实验证实。 年拉曼( )和01935Ramn.CV奈斯( )发现,在一定条件下,声光效应的衍射光强分布类似于普通光栅的衍射。Nath这种声光效应称做拉曼—奈斯声光衍射。这就是声光效应的典型实例,本实验利用该物理现象,进行在介质液体中的声速测量。【实验原理】1.声光效应与声场位相光栅的形成:声波是一种机械应力波,若把这种应力波作用于声光介质(如水,玻璃等透明介质)中,就会引起压缩与伸张效应,使介质内部产生疏密层次变化。由于介质折射率与介质密度成正比,所以介质密度周期性的变化,必将导致介质中折射率发生周期性的变化。如声波在传播的过程中,遇到反射产生信号叠加产生驻波,就会更加加剧上述现象。图为水介质在超声作用下的汇聚起来的水波涟,显1示在超声波的作用下引起介质内的应变。设如果介质在 方向的高度 正好是超声波半Yh波长的整数倍,在受到底部反射后就在介质中形成驻波场,有 ,理tcosykU2)t,( Ss0论证明它使得介质在 Y 方向的应变是: (1)可见驻波的作用可以成倍的引起振幅应变的变化,所以要使实验现象明显,本实验刻意放置在驻波声场中进行。介质的应变 引起的折射率发生相应的变化,S它们的关系可以表示为:(2)其中 是介质的折射率, 是应变引起的 的光 n2n1弹系数,由于在诸如水这样的各向同性的介质中, 图 与 都是标量,对于驻波声场: 1Stsin2ss0)1(22(3)tcosyksinA2t cosyksinS2n033 公式中 为超声波引起介质的折射率变化的幅值,这样在声波传播的 方向031A Y上,折射率是以:(4)tcosyksin2n)y(n00 的规律发生变化, 使介质内部疏密层次也发生相应的变化。由驻波振动原理可知驻波波节两侧的波段振动方向永远相反,设一波节点,某时刻波节两侧质点涌向该点形成密集区,而在半个周期后质点又左右散开形成稀疏区,因此在振动过程中相邻节点光密与光疏交替排列,每隔半个周期交替变化,而同一时刻相邻波节附近的密集与疏稀正好相反,见图 A。显见液体密度的空间变化间距正好为超声波2之波长,用 表示当光线垂直于超声波传播方向透过超声场后,由于入射光的波速是声波的 倍,这510些变化被忽咯,因此介质在空间的分布可以认为是静止的,图 就是水介质中的局部B2放大图形,表示某瞬间水介质密度的排列情况。因此在光通过介质层时只有光速发生变化,从而引起相位变化, 而光的振幅不变,使平面的光波波阵面变成褶皱波阵面,这样当光束通过有超声驻波场的介质时,就会产生光栅效应,介质密的地方形成阻光层,光疏处形成透光层,声场光栅就此形成见图 。332.超声致光衍射(超声光栅)在超声波的频率较高时(即 较小)与光栅的作用相同。当光通过超声区域时产生了与正常光栅一样的衍射现象,经研究表明,超声波的频率很高时() ,而超声水槽MHz10f的厚度 较长,满足L条件,属于布2拉格衍射,超声水槽类似一个体光栅;当 不是很长,超声波的频率也不是很高, ( 左右)满足MHz10,属于拉曼-乃斯衍射,是位相光栅。常称为超声光栅。对于拉曼--乃斯衍2射其衍射规律与平行光通过平面透射光栅产生的衍射相似, 符合以下所示的光栅方程 : (5) Ksin. 2, (其中 为超声波之波长, 是衍射角, 为衍射波级数, 是光波波长)【实验目的】1.加深光栅衍射规律的认识。2.了解声—光相互作用现象——声光效应。3.利用声光效应演示超声光栅现象,并测量声波在液体中的传播速度。【实验装置】型声光效应与激光超声光栅实验仪 1 套。 70FB41.半导体激光器提供整个仪器的光源。2. 透镜起到扩束作用,焦距为 。cm23.水槽:通常提倡使用水做介质,特别以清洁的矿泉水为首选,因为一旦水
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