超声光栅测声速实验报告.docx

蚀袇蚇西安理工大学实验报告袄膀薂成绩蒀蚄薁肃蕿螈课程名称:普通物理实验膀螅螅莅芃芅实验日期:2011年4月7日蚇螇芁交报告日期:2011年4月14日蒃蚂蝿报告退发:(订正、重做)莇薄袄教师审批签字:专业班号:应物091组别:2薂肁蚅姓名:赵汝双学号:33膇蚆肂实验名称:羄薁薇超声光栅测液体中的声速袈蚇芆实验目的肂羀肄了解超声光栅产生的原理。蚈蒄螂了解声波如何对光信号进行调制蒅莀蚈通过对液体(非电解质溶液)中的声速的测定,加深对其中声学和光学物理概念的理解。莈薆莅实验原理薃肃薃超声光栅腿蚇薂光波在介质中传播时被超声衍射的现象,称为超声致光衍射(亦称声光效应)。蚂蒂蚀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。衿蒄螇超声波传播时,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;半个周期后,这个节点附近的质点向两边散开形成稀疏区,而相邻波节处变为密集区。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,如图(1)所示。肄羂羃图(1)(a)所示,在透明介质中,有一束超声波沿方向传播,另一束平行光垂直于超声波传播方向(方向)入射到介质中,当光波从声束区中出射时,就会产生衍射现象。莀薇袅图2薅螀莂实际上由于声波是弹性纵波,它的存在会使介质(如纯水)密度在时间和空间上发生肀莅蝿周期性变化如图2(a),即蚃膀薈(1-1)薇莆羄式中:z是沿声波传播方向的空间坐标,是t时刻z处的介质密度,为没有超声波存在时的介质密度,叫是超声波的角频率,A是超声波波长,是密度变化的幅度。因此介质的折射率随之发生相应变化,即螁虿螁(1-2)莇蒇葿式中:为平均折射率,为折射率变化的幅度。考虑到光在液体中的传播速度()远大于声波的传播速度(),可以认为在液体中,由超声波所形成的疏密周期性分布,在光波通过液体的这段时间内是不随时间改变的,因此,液体的折射率仅随位置z而改变如图2(b),即膄莃蚀(1-3)肇芅莆由于液体的折射率在空间有这样的周期分布,当光束沿垂直于声波方向通过液体后,光波波阵面上不同部位经历了不同的光程,波阵面上各点的位相由下式给出:节螂蒅(1-4)螈芆芀式中:L是声速宽度;是光波角频率;c是光速。通过液体压缩区的光波波阵面将落后于通过稀疏区的波阵面。原来的平面波阵面变得折皱了,其折皱情况由n(z)决定,见图3可见载有超声波的液体可以看成一个位相光栅,光栅常数等于超声波波长。(1)当L(为真空中光波波长)时,就会产生对称于零级的多级衍射,即拉曼—奈斯(Raman-NRth)衍射,和平面光栅的衍射几乎无区别,满足下式的衍射光均在衍射角于的方向上产生极大光强:艿膅羀(k=……) (1-5)膅肀蒈(2)当L时,产生布拉格(Bragg)衍射,声光介质相当于一个体光栅,其衍射光强只集中在满足布拉格公式( ……)的一级衍射方向,且级不同时存在。(几十兆赫兹)超声源,实验条件较为复杂,故本实验采用拉曼-奈斯衍射装置。实验装置连接如图4所示。超声池是一个长方形玻璃液槽,液槽的两通光侧面(窗口)为平行平面。液槽内盛有待测液体(如水)。换能器为压电陶瓷芯片,芯片两面引线与液槽上盖的接线柱相连。当压电陶瓷芯片由超声光栅仪输出的高频振荡信号驱动时,就会在液体中产生超声波。(去掉目镜筒),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。途中行波的波长A相当于光栅常数。即芀膆蒁图5超声光栅衍射光路袃羂莇在调好的分光计上,由单色光源和和平行广管中的汇聚透镜L1与可调狭缝s组成平行光系统如图5所示。让垂直通过液槽(PZT),在玻璃槽的另一侧,用自准望远镜的物镜L2和测微目镜组成望远镜系统。若振荡器使PZT芯片发生超声振动,形成稳定驻波,从测微目镜即可观察到