声光效应与超声光栅实验说明书

最近更新时间：2013-11-21

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WD.54-L-1声光效应与超声光栅实验仪

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用

说

明

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概论

当超声波传过介质时，在其内产生周期性弹性形变，从而使介质的折射率产生周期性变化，相当于一个移动的相位光栅，称为声光效应。若同时有光传过介质，光将被相位光栅所衍射，称为声光衍射。利用声光衍射效应制成的器件，称为声光器件。声光器件能快速有效地控制激光束的强度、方向和频率，还可把电信号实时转换为光信号。此外，声光衍射还是探测材料声学性质的主要手段。    
     1922年,L.N.布里渊在理论上预言了声光衍射;1932年P.J.W.德拜和F.W.席尔斯以及R.卢卡斯和P.比夸特分别观察到了声光衍射现象。1935年拉曼（Raman.C.V）和奈斯（Nath）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。这种声光效应称做拉曼—奈斯声光衍射。本实验利用该物理现象，进行在介质液体中的声速测量。

从1966年到1976年期间，声光衍射理论、新声光材料及高性能声光器件的设计和制造工艺都得到迅速发展。1970年，实现了声表面波对导光波的声光衍射，并研制成功表面（或薄膜）声光器件。1976年后，随着声光技术的发展，声光信号处理已成为光信号处理的一个分支。

【实验原理】

1. 声光效应与声场光栅的形成

当超声波在介质中传播时，将引起介质的弹性应变作时间和空间上的周期性的变化，并且导致介质的折射率也发生相应变化。当光束通过有超声波的介质后就会产生衍射现象，这就是声光效应。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。                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                   

设如果介质在Y方向的高度h正好是超声波半波长的整数倍，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，本实验将在驻波声场中进行。

介质的应变S引起的折射率发生相应的变化，它们的关系可以表示为：

                            （2）

其中n是介质的折射率，ρ是应变引起的的光弹系数，由于在诸如水这样的各向同性的介质中，ρ与S都是标量，对于驻波声场：

      （3）

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Y方向上，折射率是以：

                 （4）

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，显见液体密度的空间变化间距正好为超声波之波长，用Λ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10⁵倍，这些变化被忽略，因此介质在空间的分布可以认为是静止的。因此在光通过介质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而变成褶皱波阵面，这样当光速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，声场光栅就形成见图3。

2. 超声光栅

在超声波的频率较高时（即Λ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

（f≥100MHz），而超声水槽的厚度L较长，满足条件，属于布拉

格衍射，超声水槽类似一个体光栅；当L不是很长，超声波的频率也不是很高，

（10MHz左右）满足，属于拉曼—奈斯衍射，是位相光栅。常称为超声光栅。对于拉曼—奈斯衍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：

          K=0,±1，±2……

（其中Λ为超声波之波长，θ是衍射角，K为衍射波级数，λ是光波波长）

图3

【实验目的】

1. 认识光栅衍射的规律。

2. 了解声光效应。

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。

【仪器设备】

1. 声场光栅*频率800KHz左右，超声光栅换能器频率10MH左右。

2. 半导体激光器，供电电压5V，功率2.5mW，波长635nm。

3. 扩束透镜，焦距为16mm。

4. 玻璃水槽：水采用去离子水或者以清洁的矿泉水代替，因为一旦水质较差，会有杂质，影响光的透明度。

5. 刻度屏：标有毫米刻度，可方便地测量成像条纹的宽度。

6. 信号发生器DHSG-1：DDS信号发生器，频率7000KHz-12000KHz连续可调，分辨率1KHz，用于驱动10MHz换能器（10MHZ换能器为有机玻璃封装）。左右旋转频率调节旋钮来改变频率大小，单击频率调节旋钮来改变需要调节的频率位。

7. 信号发生器DHSG-2：DDS信号发生器，频率500.00KHz-990.00KHz连续可调，分辨率0.01KHz，用于驱动800KHz换能器（800KHZ换能器为金属封装）。左右旋转频率调节旋钮来改变频率大小，单击频率调节旋钮来改变需要调节的频率位。

                         图4 声光效应与超声光栅实验仪

【实验内容】

1. 声场光栅的演示及声速测量：

声场光栅就是超声波波阵面轮廓成像，由于光波波阵面变成褶皱波阵面，通光的能力随褶皱波阵面产生周期性的变化，其图形是明暗相间等间距的分布条纹，是超声波对光调制的结果，其图像如图5，实验装置如图6，为了方便实验的操作，超声波的频率适当选择在800KHz。由实验原理分析可以知道该条纹的间距，就是超声波之波长。还可从驻波形成的公式来分析，当时入射波与反射波形成驻波，如果D为确定值时，可以调节信号源在声光介质中形成不同频率的驻波振动，Λ的大小与ｎ值有关。所以实验中可以改变信号发生器输出频率，就能观察到多次形成条纹成像，当然条纹的间距宽度会发生变化。

                            图5

图6

　利用该现象可以测量在介质中的声速。如果相邻两条纹之间的距离为α，可以利用相似三角形的原理得到：

                     （6）

如果f为超声波的频率，从而可以得到液体中声速为：

                                    （7）

也可从驻波形成的原理来进行测量，固定D为确定值的时候，在时入

射波与反射波形成驻波，调节频率可以在声光介质中形成不同的驻波振动，f

的大小与n值有关。当激光束以垂直声场的方向入射时，在超声头频率响应带

宽Δf范围内，调节f的大小，根据公式可以找到多个形成条纹象相

对应的f值，因此可以通过光栅图像形成点判断n值的变化。              

因则对该公式取微风，即

                                             （8）

如果令dn=1则：或                     （9）

    这里Δf为相邻两次出现光栅图像的频率差，如果能测量出D的长度，再

通过频率计读出测定的大小，进而求出声速。

2. 超声光栅演示及声速测量:

在上述实验的基础上，提高超声波的频率到10MHz左右，这时采用图7的实验方案：就可以观察到衍射图像，属于拉曼—奈斯衍射。

图7

根据公式由于角度θ很小，实验中如能测量出屏与水槽之间的距离S₂,以及0级到K级条纹的间距T，由公式得：

                 （10）

因为当角度θ很小的时候，可以近似地利用：得出：

              （11）

如果知道声波频率f，则声速：

           （12）

【实验步骤】

１.声场光栅测液体中声速（选择800KHz金属封装*和DHSG-2信号发生器），按图6开展实验。

（1）将玻璃容器中盛入水液体，将超声波探头微微浸入液体上表面几毫米深处，并且使探头平行于玻璃容器底部。利用一焦距f=16mm的凸透镜将入射的平行激光束散射，凸透镜与玻璃容器的中心距离定位在200mm左右，玻璃容器中心与投射屏之间的距离调节为600mm。打开激光发生器，根据激光束，仔细调节使其三者同轴。控制室内的光线。打开信号发生器，仔细观察水槽，可以看到在超声波作用下的水波链，通过调节发射强度及频率，直到屏幕上光栅投影条纹zui为清晰。

        若屏幕上光栅投影条纹不够清晰，可以尝试调节*水平调节螺钉和改变水槽到凸透镜之间的距离。

         在换能器的某个频率段，换能器的输出功率将会很大，水槽中将形成强烈的空化左右，带来水柱的剧烈振荡，这时形成的光栅投影条纹将模糊不堪，所以在实验时必须仔细调节，找到换能器的*工作频率点，使探头下方的超声光栅场均匀稳定。

图8

（2）条纹α的测量可以按图8所示，用公式来测量，其中是N条纹数，S_N-1是D₁到D_N条纹的间隔。

（3）S_f+S₁，S₂可以直接从光具座上读出。用公式6、7求出声速。改变透镜到屏的位置，再次测量屏上的条纹的间隔长度α，将数据记录于下表1：

表1：   f=         （KHz）

注：表中S_f =16mm，S₁=（S_f+S₁）-16mm；S₆=S_N-1,图8中N=7。

（4）利用公式（7）测量出液体中的声速。

（5）将测出的声速与声波在水中传播速度的理论值：C=1557-0.0245×（74-t）²m/s（其中：t为水的温度）作比较，计算相对误差。

2. 超声光栅

（1）去掉凸透镜，换上10MHz的有机玻璃封装*和DHSG-1信号发生器，按图7所示进行实验。调节换能器的水平位置以及信号发射频率，使屏幕上显示清晰的点状条纹，如图9所示。

（2）测量0级与K级衍射条纹的间距T，有关数据填下表2

表2：  f=         （KHz）

                            图9超声光栅衍射图

（3）利用公式（12）测量出液体中的声速。

（4）将测出的声速与声波在水中传播速度的理论值：C=1557-0.0245×（74-t）²m/s（其中：t为水的温度）作比较，计算相对误差。

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