1、WD.54-L-1 声光效应与超声光栅实验仪使用说明书1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
2、）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
3、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tykUtYssco2,0它使得介质在 Y 方向的应变是：(1)tconykSssi20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(2)Sn21其中 n 是介质的折射率， 是应变引起的 的光弹系数，由于在诸如水21n这样的各向同性的介质中，
4、与 S 都是标量，对于驻波声场：（3）tykAtcoykS ssss coiin2033 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031A传播的 Y 方向上，折射率是以：（4）tykAnynsscoi2)(00 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 表示。当光线垂直于
5、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 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（f100MHz） ，而超声水槽的厚度 L 较长，满足 条件，属于布拉2L格衍射，超声水槽类似一个体光栅；当 L
6、 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23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=0,1，2Ksin（其中 为超声波之波长， 是衍射角，K 为衍射波级数， 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. 声场光栅超声换能器频率 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.
7、 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 800KH
8、z 换能器（800KHZ 换能器为金属封装）4。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
9、2nD在声光介质中形成不同频率的驻波振动， 的大小与值有关。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。5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 ，可以利用相似三角形的原理得到：(6)21S如果 f 为超声波的频率，从而可以得到液体中声速为：（7）fSfC21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2nD入6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 f 范围内，调节 f 的大小，根据公
10、式 可以找到多个形成条纹象2nD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fCDn2（8）DCdnf2如果令 dn=1 则： 或 （9）df2这里 f 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，再通过频率计读出精确测定的大小，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 很小，实验中如能测量出屏与水槽之间Ksin的距离 S2,以及 0 级到 K 级条纹的间距 T，由公式得：（10）
11、sinK因为当角度 很小的时候，可以近似地利用： 得出：2STtgTK2（11）7如果知道声波频率 f，则声速：（12）fTSKfC2【实验步骤】.声场光栅测液体中声速（选择 800KHz 金属封装超声换能器和 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
12、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最为清晰。若屏幕上光栅投影条纹不够清晰，可以尝试调节超声换能器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，找到换能器的最佳工作频率点，使探头下方的超声光栅场均匀稳定。图 8（2）条纹 的测量可以按图 8 所示，用公式 来测量，其中是 N 条纹1NS数，S N-1 是 D1到 DN条纹的间隔。（3）S f+S1，S 2 可以直接从光具座上读出。用公
13、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 ，将数据记录于下表 1：8表 1： f= （KHz）Sf+S1（mm）S1（mm）S2（mm）S6（mm） （mm）（mm） C(m/s)注：表中 Sf =16mm，S 1=(Sf+S1)-16mm；S 6=SN-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 的有机玻璃封装超声换能器和 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）K T(mm) )(2mTSC=f(m/s) C(m/s)+3+2+1-1-2-39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。
