聲光效應(yīng)與超聲光柵實(shí)驗(yàn)說明書

【資料簡介】

 

WD.54-L-1聲光效應(yīng)與超聲光柵實(shí)驗(yàn)儀

 

 

使

用

說

明

書

 

 

 

 

概論

當(dāng)超聲波傳過介質(zhì)時(shí)，在其內(nèi)產(chǎn)生周期性彈性形變，從而使介質(zhì)的折射率產(chǎn)生周期性變化，相當(dāng)于一個(gè)移動(dòng)的相位光柵，稱為聲光效應(yīng)。若同時(shí)有光傳過介質(zhì)，光將被相位光柵所衍射，稱為聲光衍射。利用聲光衍射效應(yīng)制成的器件，稱為聲光器件。聲光器件能快速有效地控制激光束的強(qiáng)度、方向和頻率，還可把電信號實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換為光信號。此外，聲光衍射還是探測材料聲學(xué)性質(zhì)的主要手段。    
     1922年,L.N.布里淵在理論上預(yù)言了聲光衍射;1932年P(guān).J.W.德拜和F.W.席爾斯以及R.盧卡斯和P.比夸特分別觀察到了聲光衍射現(xiàn)象。1935年拉曼（Raman.C.V）和奈斯（Nath）發(fā)現(xiàn)，在一定條件下，聲光效應(yīng)的衍射光強(qiáng)分布類似于普通光柵的衍射。這種聲光效應(yīng)稱做拉曼—奈斯聲光衍射。本實(shí)驗(yàn)利用該物理現(xiàn)象，進(jìn)行在介質(zhì)液體中的聲速測量。

從1966年到1976年期間，聲光衍射理論、新聲光材料及高性能聲光器件的設(shè)計(jì)和制造工藝都得到迅速發(fā)展。1970年，實(shí)現(xiàn)了聲表面波對導(dǎo)光波的聲光衍射，并研制成功表面（或薄膜）聲光器件。1976年后，隨著聲光技術(shù)的發(fā)展，聲光信號處理已成為光信號處理的一個(gè)分支。

【實(shí)驗(yàn)原理】

1. 聲光效應(yīng)與聲場光柵的形成

當(dāng)超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，將引起介質(zhì)的彈性應(yīng)變作時(shí)間和空間上的周期性的變化，并且導(dǎo)致介質(zhì)的折射率也發(fā)生相應(yīng)變化。當(dāng)光束通過有超聲波的介質(zhì)后就會(huì)產(chǎn)生衍射現(xiàn)象，這就是聲光效應(yīng)。如聲波在傳播的過程中，遇到反射產(chǎn)生信號疊加產(chǎn)生駐波，就會(huì)更加加劇上述現(xiàn)象。                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                   

設(shè)如果介質(zhì)在Y方向的高度h正好是超聲波半波長的整數(shù)倍，在受到底部反射后就在介質(zhì)中形成駐波場，有，理論證明它使得介質(zhì)在Y方向的應(yīng)變是：

                      （1）

可見駐波的作用可以成倍的引起振幅應(yīng)變的變化，所以要使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，本實(shí)驗(yàn)將在駐波聲場中進(jìn)行。

介質(zhì)的應(yīng)變S引起的折射率發(fā)生相應(yīng)的變化，它們的關(guān)系可以表示為：

                            （2）

其中n是介質(zhì)的折射率，ρ是應(yīng)變引起的的光彈系數(shù)，由于在諸如水這樣的各向同性的介質(zhì)中，ρ與S都是標(biāo)量，對于駐波聲場：

      （3）

公式中為超聲波引起介質(zhì)的折射率變化的幅值，這樣在聲波傳播的Y方向上，折射率是以：

                 （4）

的規(guī)律發(fā)生變化，使介質(zhì)內(nèi)部疏密層次也發(fā)生相應(yīng)的變化。

由駐波振動(dòng)原理可知駐波波節(jié)兩側(cè)的波段振動(dòng)方向永遠(yuǎn)相反，設(shè)一波節(jié)點(diǎn)，某時(shí)刻波節(jié)兩側(cè)質(zhì)點(diǎn)涌向該點(diǎn)形成密集區(qū)，而在半個(gè)周期后質(zhì)點(diǎn)又左右散開形成稀疏區(qū)，因此在振動(dòng)過程中相鄰節(jié)點(diǎn)光密與光疏交替排列，每隔半個(gè)周期交替變化，而同一時(shí)刻相鄰波節(jié)附近的密集與疏稀正好相反，顯見液體密度的空間變化間距正好為超聲波之波長，用Λ表示。

當(dāng)光線垂直于超聲波傳播方向透過超聲場后，由于入射光的波速是聲波的10⁵倍，這些變化被忽略，因此介質(zhì)在空間的分布可以認(rèn)為是靜止的。因此在光通過介質(zhì)時(shí)只有光速發(fā)生變化，從而引起相位變化，而光的振幅不變，使平面的光波波陣面而變成褶皺波陣面，這樣當(dāng)光速通過有超聲駐波場的介質(zhì)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生光柵效應(yīng)，介質(zhì)密的地方形成阻光層，光疏處形成透光層，聲場光柵就形成見圖3。

2. 超聲光柵

在超聲波的頻率較高時(shí)（即Λ較小）與光柵的作用相同。當(dāng)光通過超聲區(qū)域時(shí)產(chǎn)生了與正常光柵一樣的衍射現(xiàn)象，經(jīng)研究表明，超聲波的頻率很高時(shí)

（f≥100MHz），而超聲水槽的厚度L較長，滿足條件，屬于布拉

格衍射，超聲水槽類似一個(gè)體光柵；當(dāng)L不是很長，超聲波的頻率也不是很高，

（10MHz左右）滿足，屬于拉曼—奈斯衍射，是位相光柵。常稱為超聲光柵。對于拉曼—奈斯衍射其衍射規(guī)律與平行光通過平面透射光柵產(chǎn)生的衍射相似，符合以下所示的光柵方程：

          K=0,±1，±2……

（其中Λ為超聲波之波長，θ是衍射角，K為衍射波級數(shù)，λ是光波波長）

 

 

 

 

 

 

 

圖3

【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?/strong>

1. 認(rèn)識光柵衍射的規(guī)律。

2. 了解聲光效應(yīng)。

3. 利用聲光效應(yīng)演示超聲光柵現(xiàn)象，并測量聲波在液體中的傳播速度。

【儀器設(shè)備】

1. 聲場光柵*頻率800KHz左右，超聲光柵換能器頻率10MH左右。

2. 半導(dǎo)體激光器，供電電壓5V，功率2.5mW，波長635nm。

3. 擴(kuò)束透鏡，焦距為16mm。

4. 玻璃水槽：水采用去離子水或者以清潔的礦泉水代替，因?yàn)橐坏┧|(zhì)較差，會(huì)有雜質(zhì)，影響光的透明度。

5. 刻度屏：標(biāo)有毫米刻度，可方便地測量成像條紋的寬度。

6. 信號發(fā)生器DHSG-1：DDS信號發(fā)生器，頻率7000KHz-12000KHz連續(xù)可調(diào)，分辨率1KHz，用于驅(qū)動(dòng)10MHz換能器（10MHZ換能器為有機(jī)玻璃封裝）。左右旋轉(zhuǎn)頻率調(diào)節(jié)旋鈕來改變頻率大小，單擊頻率調(diào)節(jié)旋鈕來改變需要調(diào)節(jié)的頻率位。

7. 信號發(fā)生器DHSG-2：DDS信號發(fā)生器，頻率500.00KHz-990.00KHz連續(xù)可調(diào)，分辨率0.01KHz，用于驅(qū)動(dòng)800KHz換能器（800KHZ換能器為金屬封裝）。左右旋轉(zhuǎn)頻率調(diào)節(jié)旋鈕來改變頻率大小，單擊頻率調(diào)節(jié)旋鈕來改變需要調(diào)節(jié)的頻率位。

                         圖4 聲光效應(yīng)與超聲光柵實(shí)驗(yàn)儀

【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容】

1. 聲場光柵的演示及聲速測量：

聲場光柵就是超聲波波陣面輪廓成像，由于光波波陣面變成褶皺波陣面，通光的能力隨褶皺波陣面產(chǎn)生周期性的變化，其圖形是明暗相間等間距的分布條紋，是超聲波對光調(diào)制的結(jié)果，其圖像如圖5，實(shí)驗(yàn)裝置如圖6，為了方便實(shí)驗(yàn)的操作，超聲波的頻率適當(dāng)選擇在800KHz。由實(shí)驗(yàn)原理分析可以知道該條紋的間距，就是超聲波之波長。還可從駐波形成的公式來分析，當(dāng)時(shí)入射波與反射波形成駐波，如果D為確定值時(shí)，可以調(diào)節(jié)信號源在聲光介質(zhì)中形成不同頻率的駐波振動(dòng)，Λ的大小與ｎ值有關(guān)。所以實(shí)驗(yàn)中可以改變信號發(fā)生器輸出頻率，就能觀察到多次形成條紋成像，當(dāng)然條紋的間距寬度會(huì)發(fā)生變化。

                            圖5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

圖6

　利用該現(xiàn)象可以測量在介質(zhì)中的聲速。如果相鄰兩條紋之間的距離為α，可以利用相似三角形的原理得到：

                     （6）

如果f為超聲波的頻率，從而可以得到液體中聲速為：

                                    （7）

也可從駐波形成的原理來進(jìn)行測量，固定D為確定值的時(shí)候，在時(shí)入

射波與反射波形成駐波，調(diào)節(jié)頻率可以在聲光介質(zhì)中形成不同的駐波振動(dòng)，f

的大小與n值有關(guān)。當(dāng)激光束以垂直聲場的方向入射時(shí)，在超聲頭頻率響應(yīng)帶

寬Δf范圍內(nèi)，調(diào)節(jié)f的大小，根據(jù)公式可以找到多個(gè)形成條紋象相

對應(yīng)的f值，因此可以通過光柵圖像形成點(diǎn)判斷n值的變化。              

因則對該公式取微風(fēng)，即

                                             （8）

如果令dn=1則：或                     （9）

    這里Δf為相鄰兩次出現(xiàn)光柵圖像的頻率差，如果能測量出D的長度，再

通過頻率計(jì)讀出測定的大小，進(jìn)而求出聲速。

2. 超聲光柵演示及聲速測量:

在上述實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提高超聲波的頻率到10MHz左右，這時(shí)采用圖7的實(shí)驗(yàn)方案：就可以觀察到衍射圖像，屬于拉曼—奈斯衍射。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

圖7

根據(jù)公式由于角度θ很小，實(shí)驗(yàn)中如能測量出屏與水槽之間的距離S₂,以及0級到K級條紋的間距T，由公式得：

                 （10）

因?yàn)楫?dāng)角度θ很小的時(shí)候，可以近似地利用：得出：

              （11）

如果知道聲波頻率f，則聲速：

           （12）

【實(shí)驗(yàn)步驟】

１.聲場光柵測液體中聲速（選擇800KHz金屬封裝*和DHSG-2信號發(fā)生器），按圖6開展實(shí)驗(yàn)。

（1）將玻璃容器中盛入水液體，將超聲波探頭微微浸入液體上表面幾毫米深處，并且使探頭平行于玻璃容器底部。利用一焦距f=16mm的凸透鏡將入射的平行激光束散射，凸透鏡與玻璃容器的中心距離定位在200mm左右，玻璃容器中心與投射屏之間的距離調(diào)節(jié)為600mm。打開激光發(fā)生器，根據(jù)激光束，仔細(xì)調(diào)節(jié)使其三者同軸。控制室內(nèi)的光線。打開信號發(fā)生器，仔細(xì)觀察水槽，可以看到在超聲波作用下的水波鏈，通過調(diào)節(jié)發(fā)射強(qiáng)度及頻率，直到屏幕上光柵投影條紋zui為清晰。

        若屏幕上光柵投影條紋不夠清晰，可以嘗試調(diào)節(jié)*水平調(diào)節(jié)螺釘和改變水槽到凸透鏡之間的距離。

         在換能器的某個(gè)頻率段，換能器的輸出功率將會(huì)很大，水槽中將形成強(qiáng)烈的空化左右，帶來水柱的劇烈振蕩，這時(shí)形成的光柵投影條紋將模糊不堪，所以在實(shí)驗(yàn)時(shí)必須仔細(xì)調(diào)節(jié)，找到換能器的*工作頻率點(diǎn)，使探頭下方的超聲光柵場均勻穩(wěn)定。

圖8

（2）條紋α的測量可以按圖8所示，用公式來測量，其中是N條紋數(shù)，S_N-1是D₁到D_N條紋的間隔。

（3）S_f+S₁，S₂可以直接從光具座上讀出。用公式6、7求出聲速。改變透鏡到屏的位置，再次測量屏上的條紋的間隔長度α，將數(shù)據(jù)記錄于下表1：

表1：   f=         （KHz）

Sf+S1（mm）	S1（mm）	S2（mm）	S6（mm）	α（mm）	Λ（mm）	C（m/s）

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

（4）利用公式（7）測量出液體中的聲速。

（5）將測出的聲速與聲波在水中傳播速度的理論值：C=1557-0.0245×（74-t）²m/s（其中：t為水的溫度）作比較，計(jì)算相對誤差。

2. 超聲光柵

（1）去掉凸透鏡，換上10MHz的有機(jī)玻璃封裝*和DHSG-1信號發(fā)生器，按圖7所示進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。調(diào)節(jié)換能器的水平位置以及信號發(fā)射頻率，使屏幕上顯示清晰的點(diǎn)狀條紋，如圖9所示。

（2）測量0級與K級衍射條紋的間距T，有關(guān)數(shù)據(jù)填下表2

 

表2：  f=         （KHz）

K	T（mm）		C=Λf（m/s）	C（m/s）
+3
+2
+1
-1
-2
-3

 

 

 

 

 

 

 

                            圖9超聲光柵衍射圖

（3）利用公式（12）測量出液體中的聲速。

（4）將測出的聲速與聲波在水中傳播速度的理論值：C=1557-0.0245×（74-t）²m/s（其中：t為水的溫度）作比較，計(jì)算相對誤差。