聲光效應與超聲光柵實驗說明書

【資料簡介】

 

WD.54-L-1聲光效應與超聲光柵實驗儀

 

 

使

用

說

明

書

 

 

 

 

概論

當超聲波傳過介質時，在其內產生周期性彈性形變，從而使介質的折射率產生周期性變化，相當于一個移動的相位光柵，稱為聲光效應。若同時有光傳過介質，光將被相位光柵所衍射，稱為聲光衍射。利用聲光衍射效應制成的器件，稱為聲光器件。聲光器件能快速有效地控制激光束的強度、方向和頻率，還可把電信號實時轉換為光信號。此外，聲光衍射還是探測材料聲學性質的主要手段。    
     1922年,L.N.布里淵在理論上預言了聲光衍射;1932年P.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象。1935年拉曼（Raman.C.V）和奈斯（Nath）發現，在一定條件下，聲光效應的衍射光強分布類似于普通光柵的衍射。這種聲光效應稱做拉曼—奈斯聲光衍射。本實驗利用該物理現象，進行在介質液體中的聲速測量。

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計和制造工藝都得到迅速發展。1970年，實現了聲表面波對導光波的聲光衍射，并研制成功表面（或薄膜）聲光器件。1976年后，隨著聲光技術的發展，聲光信號處理已成為光信號處理的一個分支。

【實驗原理】

1. 聲光效應與聲場光柵的形成

當超聲波在介質中傳播時，將引起介質的彈性應變作時間和空間上的周期性的變化，并且導致介質的折射率也發生相應變化。當光束通過有超聲波的介質后就會產生衍射現象，這就是聲光效應。如聲波在傳播的過程中，遇到反射產生信號疊加產生駐波，就會更加加劇上述現象。                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                   

設如果介質在Y方向的高度h正好是超聲波半波長的整數倍，在受到底部反射后就在介質中形成駐波場，有，理論證明它使得介質在Y方向的應變是：

                      （1）

可見駐波的作用可以成倍的引起振幅應變的變化，所以要使實驗現象明顯，本實驗將在駐波聲場中進行。

介質的應變S引起的折射率發生相應的變化，它們的關系可以表示為：

                            （2）

其中n是介質的折射率，ρ是應變引起的的光彈系數，由于在諸如水這樣的各向同性的介質中，ρ與S都是標量，對于駐波聲場：

      （3）

公式中為超聲波引起介質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）

的規律發生變化，使介質內部疏密層次也發生相應的變化。

由駐波振動原理可知駐波波節兩側的波段振動方向永遠相反，設一波節點，某時刻波節兩側質點涌向該點形成密集區，而在半個周期后質點又左右散開形成稀疏區，因此在振動過程中相鄰節點光密與光疏交替排列，每隔半個周期交替變化，而同一時刻相鄰波節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，因此介質在空間的分布可以認為是靜止的。因此在光通過介質時只有光速發生變化，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，這樣當光速通過有超聲駐波場的介質時，就會產生光柵效應，介質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（即Λ較小）與光柵的作用相同。當光通過超聲區域時產生了與正常光柵一樣的衍射現象，經研究表明，超聲波的頻率很高時

（f≥100MHz），而超聲水槽的厚度L較長，滿足條件，屬于布拉

格衍射，超聲水槽類似一個體光柵；當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—奈斯衍射其衍射規律與平行光通過平面透射光柵產生的衍射相似，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，λ是光波波長）

 

 

 

 

 

 

 

圖3

【實驗目的】

1. 認識光柵衍射的規律。

2. 了解聲光效應。

3. 利用聲光效應演示超聲光柵現象，并測量聲波在液體中的傳播速度。

【儀器設備】

1. 聲場光柵*頻率800KHz左右，超聲光柵換能器頻率10MH左右。

2. 半導體激光器，供電電壓5V，功率2.5mW，波長635nm。

3. 擴束透鏡，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，因為一旦水質較差，會有雜質，影響光的透明度。

5. 刻度屏：標有毫米刻度，可方便地測量成像條紋的寬度。

6. 信號發生器DHSG-1：DDS信號發生器，頻率7000KHz-12000KHz連續可調，分辨率1KHz，用于驅動10MHz換能器（10MHZ換能器為有機玻璃封裝）。左右旋轉頻率調節旋鈕來改變頻率大小，單擊頻率調節旋鈕來改變需要調節的頻率位。

7. 信號發生器DHSG-2：DDS信號發生器，頻率500.00KHz-990.00KHz連續可調，分辨率0.01KHz，用于驅動800KHz換能器（800KHZ換能器為金屬封裝）。左右旋轉頻率調節旋鈕來改變頻率大小，單擊頻率調節旋鈕來改變需要調節的頻率位。

                         圖4 聲光效應與超聲光柵實驗儀

【實驗內容】

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，是超聲波對光調制的結果，其圖像如圖5，實驗裝置如圖6，為了方便實驗的操作，超聲波的頻率適當選擇在800KHz。由實驗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，當時入射波與反射波形成駐波，如果D為確定值時，可以調節信號源在聲光介質中形成不同頻率的駐波振動，Λ的大小與ｎ值有關。所以實驗中可以改變信號發生器輸出頻率，就能觀察到多次形成條紋成像，當然條紋的間距寬度會發生變化。

                            圖5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

圖6

　利用該現象可以測量在介質中的聲速。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行測量，固定D為確定值的時候，在時入

射波與反射波形成駐波，調節頻率可以在聲光介質中形成不同的駐波振動，f

的大小與n值有關。當激光束以垂直聲場的方向入射時，在超聲頭頻率響應帶

寬Δf范圍內，調節f的大小，根據公式可以找到多個形成條紋象相

對應的f值，因此可以通過光柵圖像形成點判斷n值的變化。              

因則對該公式取微風，即

                                             （8）

如果令dn=1則：或                     （9）

    這里Δf為相鄰兩次出現光柵圖像的頻率差，如果能測量出D的長度，再

通過頻率計讀出測定的大小，進而求出聲速。

2. 超聲光柵演示及聲速測量:

在上述實驗的基礎上，提高超聲波的頻率到10MHz左右，這時采用圖7的實驗方案：就可以觀察到衍射圖像，屬于拉曼—奈斯衍射。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

圖7

根據公式由于角度θ很小，實驗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）

因為當角度θ很小的時候，可以近似地利用：得出：

              （11）

如果知道聲波頻率f，則聲速：

           （12）

【實驗步驟】

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

（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節為600mm。打開激光發生器，根據激光束，仔細調節使其三者同軸。控制室內的光線。打開信號發生器，仔細觀察水槽，可以看到在超聲波作用下的水波鏈，通過調節發射強度及頻率，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，可以嘗試調節*水平調節螺釘和改變水槽到凸透鏡之間的距離。

         在換能器的某個頻率段，換能器的輸出功率將會很大，水槽中將形成強烈的空化左右，帶來水柱的劇烈振蕩，這時形成的光柵投影條紋將模糊不堪，所以在實驗時必須仔細調節，找到換能器的*工作頻率點，使探頭下方的超聲光柵場均勻穩定。

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，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，將數據記錄于下表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，計算相對誤差。

2. 超聲光柵

（1）去掉凸透鏡，換上10MHz的有機玻璃封裝*和DHSG-1信號發生器，按圖7所示進行實驗。調節換能器的水平位置以及信號發射頻率，使屏幕上顯示清晰的點狀條紋，如圖9所示。

（2）測量0級與K級衍射條紋的間距T，有關數據填下表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，計算相對誤差。