實(shí)驗(yàn)二超聲光柵實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)處理(已修改).

1、應(yīng)用物理一班 張利宏 2013326690025超聲光柵實(shí)驗(yàn)【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹? 了解超聲致光衍射的原理。2 利用聲光效應(yīng)測(cè)量聲波在液體中的傳播速度。【實(shí)驗(yàn)原理】光波在液體介質(zhì)中傳播時(shí)被超聲波衍射的現(xiàn)象，稱為超聲致光衍射（亦稱聲光效應(yīng)），這種現(xiàn)象是光波與介質(zhì)中聲波相互作用的結(jié)果。超聲波調(diào)制了液體的密度，使原來(lái)均勻透明的液體，變成折射率周期變化的“超聲光柵”，當(dāng)光束穿過(guò)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生衍射現(xiàn)象，由此可以準(zhǔn)確測(cè)量聲波在液體中的傳播速度。并且，由于激光技術(shù)和超聲技術(shù)的發(fā)展，使聲光效應(yīng)得到了廣泛的應(yīng)用。如制成聲光調(diào)制器和偏轉(zhuǎn)器，可以快速而有效地控制激光束的頻率、強(qiáng)度和方向，它在激光技術(shù)、光信號(hào)處理和集成通訊技術(shù)

2、等方面有著非常重要的應(yīng)用。 壓電陶瓷片（PZT）在高頻信號(hào)源（頻率約10MHz）所產(chǎn)生的的交變電場(chǎng)的作用下，發(fā)生周期性的壓縮和伸長(zhǎng)振動(dòng)，其在液體中的傳播就形成超聲波，當(dāng)一束平面超聲波在液體中傳播時(shí)，其聲壓使液體分子作周期性變化，液體的局部就會(huì)產(chǎn)生周期性的膨脹與壓縮，這使得液體的密度在波傳播方向上形成周期性分布，促使液體的折射率也做同樣分布，形成了所謂疏密波，這種疏密波所形成的密度分布層次結(jié)構(gòu)，就是超聲場(chǎng)的圖象，此時(shí)若有平行光沿垂直于超聲波傳播方向通過(guò)液體時(shí)，平行光會(huì)被衍射。以上超聲場(chǎng)在液體中形成的密度分布層次結(jié)構(gòu)是以行波運(yùn)動(dòng)的，為了使實(shí)驗(yàn)條件易實(shí)現(xiàn)，衍射現(xiàn)象易于穩(wěn)定觀察，實(shí)驗(yàn)中是在有限尺寸液槽

3、內(nèi)形成穩(wěn)定駐波條件下進(jìn)行觀察，由于駐波振幅可以達(dá)到行波振幅的兩倍，這樣就加劇了液體疏密變化的程度。駐波形成以后，某一時(shí)刻t，駐波某一節(jié)點(diǎn)兩邊的質(zhì)點(diǎn)涌向該節(jié)點(diǎn)，使該節(jié)點(diǎn)附近成為質(zhì)點(diǎn)密集區(qū)，在半個(gè)周期以后，t+T/2，這個(gè)節(jié)點(diǎn)兩邊的質(zhì)點(diǎn)又向左右擴(kuò)散，使該波節(jié)附近成為質(zhì)點(diǎn)稀疏區(qū)，而相鄰的兩波節(jié)附近成為質(zhì)點(diǎn)密集區(qū)。圖1 為在t和t+T/2（T為超聲振動(dòng)周期）兩時(shí)刻振幅y、液體疏密分布和折射率n的變化分析。由圖1可見(jiàn)，超聲光柵的性質(zhì)是，在某一時(shí)刻t，相鄰兩個(gè)密集區(qū)域的距離為，為液體中傳播的行波的波長(zhǎng)，而在半個(gè)周期以后，t+T/2。所有這樣區(qū)域的位置整個(gè)漂移了一個(gè)距離/2，而在其它時(shí)刻，波的現(xiàn)象 圖1則完

4、全消失，液體的密度處于均勻狀態(tài)。超聲場(chǎng)形成的層次結(jié)構(gòu)消失，在視覺(jué)上是觀察不到的，當(dāng)光線通過(guò)超聲場(chǎng)時(shí)，觀察駐波場(chǎng)的結(jié)果是，波節(jié)為暗條紋（不透光），波腹為亮條紋（透光）。明暗條紋的間距為聲波波長(zhǎng)的一半，即為/2。由此我們對(duì)由超聲場(chǎng)的層次結(jié)構(gòu)所形成的超聲光柵性質(zhì)有了了解。當(dāng)平行光通過(guò)超聲光柵時(shí)，光線衍射的主極大位置由光柵方程決定。 （k=0，1，2，） （1）光路圖如圖2所示。圖2 超聲光柵實(shí)驗(yàn)光路圖實(shí)際上由于角很小，可以認(rèn)為： （2）其中為衍射零級(jí)光譜線至第k級(jí)光譜線的距離，f為L(zhǎng)2透鏡的焦距，為鈉光波長(zhǎng)，所以超聲波的波長(zhǎng) （3）超聲波在液體中的傳播速度： （4）式中為信號(hào)源的振動(dòng)頻率。 【實(shí)驗(yàn)儀

5、器】實(shí)驗(yàn)裝置主要由控制主機(jī)（超聲信號(hào)源）、低壓鈉燈、光學(xué)導(dǎo)軌、光學(xué)狹縫、透鏡、超聲池、測(cè)微目鏡以及高頻連接線組成。如圖3所示。圖3 超聲光柵實(shí)驗(yàn)裝置【實(shí)驗(yàn)過(guò)程】1.將器件按圖3放置。低壓鈉燈于超聲光柵試驗(yàn)儀相連。2.調(diào)節(jié)狹縫與透鏡L1的位置，使狹縫中心法線與透鏡L1的光軸(即主光軸)重合,二者間距為透鏡L1的焦距（即透鏡L1射出平行光）。3.調(diào)節(jié)透鏡L2與測(cè)微目鏡的高度，使二者光軸與主光軸重合。調(diào)焦目鏡，使十字絲清晰。轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)微目鏡鼓輪，使可移動(dòng)的豎直叉絲位于主尺刻度3mm至5mm之間。4.開(kāi)啟電源。調(diào)節(jié)鈉燈位置，使鈉燈照射在狹縫上，并且上下均勻，左右對(duì)稱，光強(qiáng)適宜。5.將狹縫調(diào)至水平，調(diào)節(jié)L2

6、位置，使測(cè)微目鏡中出現(xiàn)一條清晰的水平線。再調(diào)節(jié)測(cè)微目鏡上下或左右位置，使水平線在測(cè)微目鏡的視場(chǎng)中央。最后將狹縫轉(zhuǎn)至垂直位置，這時(shí)視場(chǎng)中出現(xiàn)一條垂直亮線，且與測(cè)微目鏡的垂直叉絲重合。6將待測(cè)液體（如蒸餾水、乙醇或其他液體）注入液槽，將液槽放置于支架上，放置時(shí)，使液槽兩側(cè)表面基本垂直于主光軸。7.將高頻連接線的一端接入液槽蓋板上的接線柱，另一端接入超聲光柵儀上的輸出端。8前后移動(dòng)液槽，從目鏡中觀察條紋間距是否改變，若是，則改變透鏡L1的位置，直到條紋間距不變。9微調(diào)超聲光柵儀上的調(diào)頻旋鈕，使信號(hào)源頻率與壓電陶瓷片諧振頻率相同，此時(shí)，衍射光譜的級(jí)次會(huì)顯著增多且譜線更為明亮。微轉(zhuǎn)液槽，使射于液槽的平行

7、光束垂直于液槽，同時(shí)觀察視場(chǎng)內(nèi)的衍射光譜亮度及對(duì)稱性。重復(fù)上述操作，直到從目鏡中觀察到清晰而對(duì)稱穩(wěn)定的24級(jí)衍射條紋為止。10利用測(cè)微目鏡逐級(jí)測(cè)量各譜線位置讀數(shù)，測(cè)量時(shí)單向轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)微目鏡鼓輪，以消除轉(zhuǎn)動(dòng)部件的螺紋間隙產(chǎn)生的空程誤差（例如：從3、0、+3）。11.自擬數(shù)據(jù)表格，記錄各級(jí)各譜線的位置讀數(shù)，計(jì)算第k級(jí)光譜線各譜線至衍射零級(jí)光譜線的距離。12.計(jì)算的平均值平均值及總誤差。計(jì)算液體中的聲速及誤差，寫出標(biāo)準(zhǔn)形式 ；并將測(cè)出的聲速與理論值比較，得出百分誤差?！緦?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)】單色光源波長(zhǎng)： ±（589.3±0.3）nm透鏡L2焦距: f±f（157.0±0.4

8、）mm被測(cè)液體: 水液體溫度t： 20 聲速理論值： 測(cè)微目鏡分辨率： ls0.01mm 信號(hào)頻率：信號(hào)頻率分辨率：0.001MHz表1.衍射級(jí)次和衍射譜線位置/ mm3155156155271302.57-3-1572101.5102.75157.1461318.4-2-10415048.5166.461396.65-1-47平均值【注意事項(xiàng)】1.調(diào)節(jié)個(gè)器件時(shí)，注意保持其同高共軸。2.液槽置于載物臺(tái)上必須穩(wěn)定，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)避免震動(dòng)，以使超聲在液槽內(nèi)形成穩(wěn)定的駐波。導(dǎo)線分布電容的變化會(huì)對(duì)輸出信號(hào)頻率有影響，因此不能觸碰連接液槽和信號(hào)源的導(dǎo)線。3.壓電陶瓷片表面與對(duì)面的液槽壁表面必須平行，此時(shí)

9、才會(huì)形成較好的駐波，因此實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)將液槽的上蓋蓋平。4.在穩(wěn)定共振時(shí)，數(shù)字頻率計(jì)顯示的頻率應(yīng)是穩(wěn)定的，最多只有最末尾有12個(gè)單位數(shù)的變動(dòng)。 5.實(shí)驗(yàn)時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)，因?yàn)槁暡ㄔ谝后w中的傳播與液體溫度有關(guān)，時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，液體溫度可能有變化。實(shí)驗(yàn)時(shí)，特別注意不要使頻率長(zhǎng)時(shí)間調(diào)在高頻，以免振蕩線路過(guò)熱。6.提取液槽應(yīng)拿兩端面，不要觸摸兩側(cè)表面通光部位，以免污染，如已有污染，可用酒精清洗干凈，或用鏡頭紙擦凈。7.實(shí)驗(yàn)時(shí)液槽中會(huì)產(chǎn)生一定的熱量，并導(dǎo)致媒質(zhì)揮發(fā)，槽壁可見(jiàn)揮發(fā)氣體凝聚，一般不影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果，但須注意若液面下降太多致使壓電陶瓷片外露時(shí)，應(yīng)及時(shí)補(bǔ)充液體至正常液面線處。8.實(shí)驗(yàn)完畢應(yīng)將被測(cè)液體倒出，不要將壓電

10、陶瓷片長(zhǎng)時(shí)間浸泡在液槽內(nèi)。9.計(jì)算時(shí)，透鏡焦距f為透鏡L2的焦距。10.傳聲媒介在含有雜質(zhì)時(shí)對(duì)測(cè)量結(jié)果影響較大，建議使用純凈水（市售飲用純凈水即可）、分析純酒精、甘油等，對(duì)某些有毒副作用的媒質(zhì)（如苯等），不建議學(xué)生實(shí)驗(yàn)使用，教師教學(xué)或科研需要時(shí)，應(yīng)注意安全。 11.儀器長(zhǎng)時(shí)間不用時(shí)，請(qǐng)將測(cè)微目鏡收于原裝小木箱中并放置干燥劑。液槽應(yīng)清洗干凈，自然晾干后，妥善放置，不可讓灰塵等污物侵入。 【思考題】1.為什么聲光器件可相當(dāng)于相位光柵？2.怎樣判斷不平行光束垂直入射到超聲光柵面？怎樣判斷壓電陶瓷片處于共振狀態(tài)？【我的回答】：1.聲音形成的駐波,使得氣體或者液體形成了密度疏密的交替排列,類似于光柵 2. 微轉(zhuǎn)液槽,使射于液槽的平行光束垂直于液槽,同時(shí)觀察視場(chǎng)內(nèi)的衍射光譜亮度及對(duì)稱性.重復(fù)上述操作,直到從目鏡中觀察到清晰而對(duì)稱穩(wěn)定的24級(jí)衍射條紋為止.此時(shí)可認(rèn)為平行光束垂直射到光柵面.當(dāng)壓電陶瓷片處于共振狀態(tài)時(shí),