超声光栅实验

【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

图1

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）

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）

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，λ为钠光波长，所以超声波的波长

                      （3）

超声波在液体中的传播速度：

                                    （4）

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。

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。

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。

6.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。

7．调节测微目镜与透镜L2的位置。使目镜中能观察到清晰的衍射条纹。

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2–4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。

12.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     ；并将测出的声速与理论值比较，得出百分误差。

【实验数据】

单色光源波长    λ±Δλ＝（589.3±0.3）nm

透镜L2焦距      f±Δf＝（157.0±0.4）mm

被测液体              普通水 

液体温度         t＝     

     理论值          ＝     ＋2.5×（    －25）＝      m/s

测微目镜分辨率   Δls＝0.01mm        

信号频率         ±Δ＝        ±0.001MHz

表1.衍射级次和衍射谱线位置

                (m/s)

【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1–2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】

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？

3.从实验数据去检验声光衍射条件是否满足。

【参考资料】

1.沈元华，陆申龙. 基础物理实验. 北京：高等教育出版社. 2003.275－281

2.光学手册. 陕西科技出版社. 1986.P.1089

【附录】

纯净液体中的声速

表中α为温度系数，对于其他温度时的声速可近似按公式计算。

 

第二篇：超声光栅 实验报告

实验名称：　超声光栅测声速实验

实验目的：

１．了解超声光兰产生的原理。

2．了解生波如何对光信号进行调解

3．通过对液体（非电解质）中声速的测定 ，加深对其概念理解。

实验仪器：　WSG-ｌ型超声光栏声速仪

实验原理

光波在传播时被超声波衍射的现象，称为超生致光效应亦称声光效应）。

超声波作为一种纵波在液体中传播时，超声波的声压使液体分子产生周期性变化，促使液体的折射率也相应的作周期性变化，形成疏密波。此时如有平行单色光沿垂直超声波方向通过这疏密相间的液体时，就会被衍射，这一作用，类似于光栅，所以叫超声光栅。

超声波传播时，如前进波被一个平面反射，会反向传播。在一定条件下前进波与反射波可以形成驻波。由于驻波小振幅可以达到单一行波的两倍，加剧了波源和和反射面之间的的疏密程度，某时刻，驻波的任一波节两边的质点都涌向这一点，使该节点附近形成密集区，而相邻波节处为质点稀疏处；

集区。  在这些驻波中，稀疏区使液体的折射率减小，而压缩作用使液体折射率增加，在距离等于波长Ａ的两点，液体的密度相同，折射率也相等，单色平行光沿着垂直于超声波传播方向上通过上述液体时，因折射率的周期变化使光波的波阵面产生了相应的位相差，经透镜聚焦出现衍射条纹。这种现象与平行光通过透射光栅的情形相似。因为超声波的波长很短，只要盛装液体的液体槽的宽度能够维持平面波，槽中的液体就相当于一个衍射光栅。　　

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，……）           

实际上由于 角很小，可以认为： 

                            （2）

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，所以超声波的波长

                       （3）

超声波在液体中的传播速度： 

                              （4）

式中 为信号源的振动频率。

实验步骤：

 1．用自准法调分光计的望远镜对平行光（即无限远）聚焦，成像在分划板上。

（1）先目测，调节载物台，望远镜筒，平行光管都初步达到共轴、水平状态，为进一步细调打下基础。

（2）将平面镜放在载物台上，并与望远镜光轴目测垂直，点亮分光计的小灯，转动目镜，先看清晰分划板上的叉丝，再伸缩目镜筒，使十字窗的像十分清晰，并且用视差法检查（上下左右移动眼睛，像与十字叉丝无相对位移），使十字窗及其反射像与分划板叉丝无视差。由自准直原理可知，望远镜已调焦至无限远。

２．采用低压汞灯做光源。

３．将蒸馏水（试验中用自来水代替）注入液体槽，最高液面以槽侧面刻线为准。

4,将此液体槽(可称其为超声池)放置于分光计的载物台上,放置时,使超声池两侧表面
基本垂直于望远镜和平行光管的光轴;
5,两支高频连接线的一端各插入液体槽盖板上的接线柱,另一端接入超声光栅仪电源箱的
高频输出端,然后将液体槽盖板盖在液体槽上;
6,开启超声信号源电源,从阿贝目镜观察衍射条纹,细微调节旋钮(2),使电振荡频率与
锆钛酸铅陶瓷片固有频率共振,此时,衍射光谱的级次会显著增多且更为明亮;
7,如此前分光计已调整到位,左右转动超声池(可转动分光计载物台或游标盘,细微转动
时,可通过调节分光计图中(15)螺钉实现),能使射于超声池的平行光束完全垂直于超声束,
同时观察视场内的衍射光谱左右级次亮度及对称性,直到从目镜中观察到稳定而清晰的左右各3
-4级的衍射条纹为止;
8,按上述步骤仔细调节,可观察到左右各3-4级以上的衍射光谱;
9,取下阿贝目镜,换上测微目镜,调焦目镜,使清晰观察到的衍射条纹.利用测微目镜逐
级测量其位置读数(例如:从-3,··· ,0,··· ,+3),再用逐差法求出条纹间距的平均值.
10,声速计算公式为:
kclfVΔ=/λν
式中:λ-光波波长;υ-共振时频率计的读数;f-望远镜物镜焦距(仪器数据);Δlk-
同一种颜色的衍射条纹间距.
数据记录与处理

表一，微测目镜中衍射条纹位置读数（mm）

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-思考题

1.用逐差法处理数据的优势是生么？

答：用逐差法可以提高实验数据的利用率，减小了随机误差的影响，另外也可减小中仪器误差分量，因此是一种常用的数据处理方法。 有时为了适当加大逐差结果为个周期，但并不需要逐差出个数据，可以连续测量 n个数据后，空出若干数据不记录，到时，再连续记录 n个数据，对所得两组数据进行逐差可得。

2.能否用拿光做光源？

答：不能。这于光源的显色性有关。 一般定义日光显色性为100，而越接近100的则越接近日光，但目前人类还无法制造出达到100的光源 钠灯的显色很差的，这是钠的特性决定的，他就是黄光，显色大概只有20-40左右。而高压汞灯通常为50-60左右，超高压汞灯可以达到70-80甚至更高 而金卤灯（金属卤化物气体放电灯，金属卤化物灯，氙灯）这种灯如果购买的是5000-6500K色温的灯泡，显色性可以达到85-90，可以替代汞灯。 但钠灯显然不可以替代汞灯。