超声光栅实验

1、公共物理实验中心公共物理实验中心指导教师：史常圣指导教师：史常圣（一）（一） 教师示范操作结束前不可移动、摆弄仪器用教师示范操作结束前不可移动、摆弄仪器用具！具！（二）（二） 不可触摸光学元件的光学面！不可触摸光学元件的光学面！（三）（三） 钠灯需预热五分钟后方可使用，不可反复开关！钠灯需预热五分钟后方可使用，不可反复开关！（四）（四） 实验使用实验使用220V市电电源，注意用电安全！市电电源，注意用电安全！实 验 前 注 意 事 项1、实验简介、实验简介2、实验目的、实验目的4、实验原理、实验原理3、实验仪器、实验仪器5、实验内容与步骤、实验内容与步骤注意事项注意事项数据处理要求数据处理要求

2、思考题思考题目目 录录 19221922年布里渊（年布里渊（L LBrillouinBrillouin）曾预言，当高频）曾预言，当高频声波在液体在传播时，如果有可见光通过该液体，可声波在液体在传播时，如果有可见光通过该液体，可见光将产生衍射效应。这一预言在见光将产生衍射效应。这一预言在1010年后被验证，这年后被验证，这一现象被称作声光效应。一现象被称作声光效应。实验简介 1935 1935年，拉曼（年，拉曼（RamanRaman）和奈斯（）和奈斯（NathNath）对这一）对这一效应进行研究发现，在一定条件下，声光效应的衍射效应进行研究发现，在一定条件下，声光效应的衍射光强分布类似于普通的光

3、栅，所以也称为液体中的超光强分布类似于普通的光栅，所以也称为液体中的超声光栅。声光栅。实 验 目 的 1.了解超声致光衍射的原理了解超声致光衍射的原理;2. 掌握利用声光效应测定液体中声速的方掌握利用声光效应测定液体中声速的方法；法；3.掌握测微目镜的使用方法掌握测微目镜的使用方法实 验 原 理 压电效应：压电效应：对某些电介质晶体施加机械应力时，晶体对某些电介质晶体施加机械应力时，晶体因内部正负电荷中心发生相对位移而产生极化，导致晶体两因内部正负电荷中心发生相对位移而产生极化，导致晶体两端面上出现符号相反的束缚电荷，其电荷密度与应力成正比。端面上出现符号相反的束缚电荷，其电荷密度与应力成正比

4、。这种没有电场作用，由机械应力的作用而使电介质晶体产生这种没有电场作用，由机械应力的作用而使电介质晶体产生极化并形成晶体表面电荷的现象称为压电效应。当机械应力极化并形成晶体表面电荷的现象称为压电效应。当机械应力由压应力变成拉应力时，电荷符号也改变。由压应力变成拉应力时，电荷符号也改变。 电致伸缩效应：电致伸缩效应：与压电效应相反，将具有压电效应的电与压电效应相反，将具有压电效应的电介质晶体置于电场中，电场的作用引起电介质内部正负电荷介质晶体置于电场中，电场的作用引起电介质内部正负电荷中心产生相对位移，而这一位移又导致介质晶体发生形变，中心产生相对位移，而这一位移又导致介质晶体发生形变，晶体的这

5、种由外加电场产生形变的现象称为逆压电效应也叫晶体的这种由外加电场产生形变的现象称为逆压电效应也叫电致伸缩效应。晶体形变的大小与外加电场强度成正比，当电致伸缩效应。晶体形变的大小与外加电场强度成正比，当电场反向时，形变也改变方向。电场反向时，形变也改变方向。1、 压电陶瓷换能器与超声波 利用压电陶瓷逆效应，在高频信号源（频利用压电陶瓷逆效应，在高频信号源（频率约率约10MHz）所产生的的交变电场的作用下，）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（播就形成超声波（20000Hz)，声光效应的应用声光效应的应用

6、用声光效应制成声光器件，如声光调制器、声光偏用声光效应制成声光器件，如声光调制器、声光偏 转器，在激光技术、光信号处理和集成光通信技术转器，在激光技术、光信号处理和集成光通信技术 等方面有着重要的应用。等方面有着重要的应用。 激光雷达扫描、电视大屏幕显示器的扫描、高激光雷达扫描、电视大屏幕显示器的扫描、高 清晰图像传真、光信息储存。清晰图像传真、光信息储存。 超声波纵波在盛有液体的玻璃槽中传播时，液体被周期性地压缩与膨超声波纵波在盛有液体的玻璃槽中传播时，液体被周期性地压缩与膨胀，其密度会发生周期性的变化，形成疏密波。稀疏作用会使液体密胀，其密度会发生周期性的变化，形成疏密波。稀疏作用会使液体

7、密度减小、折射率减小。压缩作用会使液体密度增大、折射率增大，因度减小、折射率减小。压缩作用会使液体密度增大、折射率增大，因此液体密度的周期变化，导致其折射率也呈周期变化。若超声行波以此液体密度的周期变化，导致其折射率也呈周期变化。若超声行波以平面波的形式沿平面波的形式沿X轴正方向传播时，波动方程可描述为轴正方向传播时，波动方程可描述为 式中式中y代表各质点沿代表各质点沿x方向偏离平衡位置的位移，方向偏离平衡位置的位移，Am表示质点的最大位表示质点的最大位移量，移量，Ts为超声波的周期，为超声波的周期， s为超声波的波长。图一给出了某时刻液为超声波的波长。图一给出了某时刻液体内传播的超声波形（为

8、表示方便，图中质点沿体内传播的超声波形（为表示方便，图中质点沿x方向的位移表示到方向的位移表示到竖直方向上了）。竖直方向上了）。2、 超声光栅形成原理(1) 超声波驻波超声波驻波cos2msstxyAT 如果超声波被液槽的一个垂直于如果超声波被液槽的一个垂直于x轴的平面反射，轴的平面反射，又会反向传播，当反射平面距波源为波长四分之一又会反向传播，当反射平面距波源为波长四分之一的奇数倍时，入射波与反射波分别为的奇数倍时，入射波与反射波分别为两者叠加得两者叠加得1cos2msstxyAT2cos2msstxyAT122cos2cos2mssxtyyyAT图图1 1 初始时刻的波形图初始时刻的波形图

9、 图图2 T/42 T/4周期时刻的波形图周期时刻的波形图图图3 T/23 T/2周期时刻的波形图周期时刻的波形图从图从图1-1-图图3 3中我们可以看到驻波在中我们可以看到驻波在T/2T/2个周期内各质点处密度变化情况，个周期内各质点处密度变化情况，从图中看出奇数点不发生振动，这样从图中看出奇数点不发生振动，这样的点为波节，且波节与波节处相距的点为波节，且波节与波节处相距/2/2，相邻节点处的密度变化不一致，相邻节点处的密度变化不一致，而相隔一个节点处密度变化一致。这而相隔一个节点处密度变化一致。这就说明密度具有相同变化周期的最小就说明密度具有相同变化周期的最小间隔是间隔是。(2) 超声光栅

10、超声光栅 在距离等于波长的两点，液体的密度相同，折在距离等于波长的两点，液体的密度相同，折射率也相同，若波长为射率也相同，若波长为的的单色平行光单色平行光沿着垂直于沿着垂直于超声波传播方向通过上述液体时，因折射率的周超声波传播方向通过上述液体时，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，相当于一超声光栅，其透镜聚焦出现衍射条纹，相当于一超声光栅，其光栅常数为光栅常数为。 实际上，超声光栅是移动的实际上，超声光栅是移动的,由超声波的频率决由超声波的频率决定，但光的频率远远大于超声波的频率，故对光定，但光的频率远远大于超声

11、波的频率，故对光而言此光栅可认为是静止的而言此光栅可认为是静止的.从图从图1-1-图图3 3中我们中我们可以看到驻波在可以看到驻波在T/2T/2个个周期内各质点处密度周期内各质点处密度变化情况，从图中看变化情况，从图中看出奇数点不发生振动，出奇数点不发生振动，这样的点为波节，且这样的点为波节，且波节与波节处相距波节与波节处相距/2/2，相邻节点处的，相邻节点处的密度变化不一致，而密度变化不一致，而相隔一个节点处密度相隔一个节点处密度变化一致。这就说明变化一致。这就说明密度具有相同变化周密度具有相同变化周期的最小间隔是期的最小间隔是。反射板反射板反射板反射板3 、光栅方程光栅方程光栅方程sin,

12、0,1,2,3,0,1,2,dkkdkk ka 明纹若缺级本实验中本实验中s光栅常数为超声波长sinsk flkkssintankkklf入射光波长入射光波长 取取589.30nmkslfkV为衍射零级谱线至第为衍射零级谱线至第k级谱线的距离级谱线的距离为凸透镜为凸透镜2的焦距的焦距为超声波波长为超声波波长为超声波在液体中的传播速度为超声波在液体中的传播速度为信号源的振动频率为信号源的振动频率klfsVsinkdkskkfl（a）是一种常见的丝杠式测微目镜的结构剖面图。鼓轮转动）是一种常见的丝杠式测微目镜的结构剖面图。鼓轮转动时通过传动螺旋推动叉丝玻片移动；鼓轮反转时，叉丝玻片时通过传动螺旋推

13、动叉丝玻片移动；鼓轮反转时，叉丝玻片因受弹簧恢复力作用而反向移动。有因受弹簧恢复力作用而反向移动。有100个分格的鼓轮每转一个分格的鼓轮每转一周，叉丝移动周，叉丝移动1mm，所以鼓轮上的最小刻度为，所以鼓轮上的最小刻度为0.01mm。（。（b）表示通过目镜看到的固定分划板上的毫米尺、可移动分划板表示通过目镜看到的固定分划板上的毫米尺、可移动分划板上的叉丝与竖丝以及被观测的几条干涉条纹。上的叉丝与竖丝以及被观测的几条干涉条纹。实 验 仪 器FB760-8型型超声光栅实验仪（数字显示高频功率信超声光栅实验仪（数字显示高频功率信号源，内装压电陶瓷片号源，内装压电陶瓷片PZTPZT的液槽）、钠光灯、狭

14、的液槽）、钠光灯、狭缝、凸透镜缝、凸透镜1 1、凸透镜、凸透镜2 2、测微目镜、水、测微目镜、水例：为了测量干涉条纹中的例：为了测量干涉条纹中的10个明（或个明（或暗）条纹距离，可以使叉丝和竖丝对准暗）条纹距离，可以使叉丝和竖丝对准第第n个明（或暗）条纹，先读毫米标尺个明（或暗）条纹，先读毫米标尺上的整数，再加上鼓轮上的小数，即为上的整数，再加上鼓轮上的小数，即为该条纹的位置该条纹的位置A。再慢慢移动叉丝和竖。再慢慢移动叉丝和竖丝，对准第丝，对准第n+10个明（或暗）条纹，得个明（或暗）条纹，得到位置到位置B。若。若A=2.735mm, B=4.972mm, 则则11个条纹间的个条纹间的10个

15、距离就是个距离就是: 10 x = B-A = 4.972-2.375 = 2.237mm。注意：注意：1、测微、测微目镜的竖丝或叉目镜的竖丝或叉丝交点只能在量丝交点只能在量程范围程范围内（一般内（一般取取mm）移）移动；动；2、测量时，只、测量时，只能沿一个方向旋能沿一个方向旋转读数鼓轮，避转读数鼓轮，避免空程误差；免空程误差；4.调节透镜调节透镜L2与测微目镜的高度，使二者光轴与主与测微目镜的高度，使二者光轴与主光轴重合。调焦目镜，使十字丝清晰。光轴重合。调焦目镜，使十字丝清晰。5.调节钠灯位置，使钠灯照射在狭缝上，并且上下调节钠灯位置，使钠灯照射在狭缝上，并且上下均匀，左右对称，光强适宜

16、。均匀，左右对称，光强适宜。6将待测液体（自来水）注入液槽，将液槽放置于将待测液体（自来水）注入液槽，将液槽放置于光具座载物台上，放置时，使液槽两侧表面基本垂直光具座载物台上，放置时，使液槽两侧表面基本垂直于主光轴（液槽内超声波传播方向垂直）。于主光轴（液槽内超声波传播方向垂直）。7.将高频连接线的一端接入液槽盖板上的接线柱，另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。一端接入超声光栅仪上的输出端。8调节测微目镜与透镜调节测微目镜与透镜L2的位置。使目镜中能观察的位置。使目镜中能观察到清晰的衍射条纹。到清晰的衍射条纹。实验步骤与内容1.将器件按图放置。将器件按图

17、放置。2.调节钠灯与狭缝高度；点亮钠灯，照亮狭缝。调节钠灯与狭缝高度；点亮钠灯，照亮狭缝。 3.调节狭缝与透镜调节狭缝与透镜L1的位置，使狭缝与光具座垂直的位置，使狭缝与光具座垂直（光具座水平，狭缝竖直），狭缝中心法线与透镜（光具座水平，狭缝竖直），狭缝中心法线与透镜L1的光轴的光轴(即主光轴即主光轴)重合，且与光具座平行，二者间距重合，且与光具座平行，二者间距为透镜为透镜L1的焦距（即透镜的焦距（即透镜L1射出平行光）。射出平行光）。 9前后移动液槽，从目镜中观察条纹间距是否改前后移动液槽，从目镜中观察条纹间距是否改变，若是，则改变透镜变，若是，则改变透镜L1的位置，直到条纹间距不变。的位置

18、，直到条纹间距不变。 10微调超声光栅仪上的调频旋钮，使信号源频率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称稳定的24级衍射条纹为止（使衍射的谱线出现间距级衍射条纹为止（使衍射的谱线出现间距最大，且最清晰的状

19、态）记录此时的信号源频率。最大，且最清晰的状态）记录此时的信号源频率。 11.利用测微目镜逐级测量各谱线位置读数，测量时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：从生的空程误差（例如：从3、0、+3）。）。数据记录备注：备注：入射光波长入射光波长 ：589.30nm， 信号源的振动频率信号源的振动频率 ： Hz 凸透镜凸透镜2的焦距的焦距 f ： mm； 实验室水温实验室水温 t ： ;20 时水中声速时水中声速1482.9m/s;温度系数温度系数2.5m/(s )衍射级数衍射级

20、数k-3-2-10123谱线位置谱线位置读数读数 (mm)kl第第1次次第第2次次数据处理12312312kkkkkkklLLLLLL9363589.3 10157.0 109.130 101437(m/s)0.588 10kfVl 1464 1437100%100%1.8%1464ttVVEV20时，水（时，水（H2O）中标准声速）中标准声速vS=1480.0m/s 00()tVVtt= 14802.5（13.720）1464 m/s注意事项1.调节个器件时，注意保持其同高共轴调节个器件时，注意保持其同高共轴同轴等高的同轴等高的调节，以凸透镜调节，以凸透镜1光轴为主光轴；光轴为主光轴；2.液槽置于载物台上必须稳定，在实验过程中应避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。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，此压电陶瓷片表面与对面的液槽壁表