超声光栅测液体中的声速

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1、超声光栅测液体中的声速【引言】1922年布里渊曾预言，当高频超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10年后被验证。1935年，拉曼和奈斯对这一效应进行研究发现，在一定条件下，其衍射光强分布类似于普通的光栅。当超声波在介质中传播时，使介质产生弹性应力或应变，导致介质密度的空间分布出现疏密相间的周期性变化，从而导致介质的折射率相应变化，光束通过这种介质，就好像通过光栅一样，会产生衍射现象，这一现象被称作声光效应（又叫做超声致光衍射）。人们把这种载有超声的透明介质称为超声光栅。利用超声光栅可以测定超声波在介质中的传播速度。【摘要】超

2、声波作为一种纵波在液体中传播时，超声波的声压使液体分子产生周期性变化，促使液体的折射率也相应的作周期性变化，形成疏密波。平行单色光沿垂直于超声波方向通过疏密相间的液体是会被衍射，就形成超声光栅。超声波传播时，如前进波被一个平面反射，会反向传播。在一定条件下前进波与反射波叠加而形成超声频率的纵向振动驻波。由于驻波的振幅可以达到单一行波的两倍，加剧了波源和反射面之间液体的疏密变化程度。单色平行光λ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。被超声光栅衍射后，自液体槽窗口出射的光，经望远镜物镜会聚在物

3、镜的后焦面上。用测微目镜观测由超声光栅产生的衍射条纹。这样通过计算就能利用超声光栅衍射测量出液体中的声速了。【实验目的】1.了解超声光栅产生的原理。2.了解声波如何对光信号进行调制3.通过对液体（非电解质溶液）中的声速的测定，加深对其中声学和光学物理概念的理解。【实验原理】1.超声光栅光波在介质中传播时被超声衍射的现象，称为超声致光衍射（亦称声光效应）。超声波作为一种纵波在液体中传播时，超声波的声压使液体分子产生周期性变化，促使液体的折射率也相应的作周期性变化，形成疏密波。此时如有平行单色光沿垂直超声波方向通过这疏密相间的液体时，就会被衍射，这一作用，类似于光栅，所

4、以叫超声光栅。超声波传播时，如前进波被一个平面反射，会反向传播。在一定条件下前进波与反射波可以形成驻波。由于驻波小振幅可以达到单一行波的两倍，加剧了波源和和反射面之间的的疏密程度，某时刻，驻波的任一波节两边的质点都涌向这一点，使该节点附近形成密集区，而相邻波节处为质点稀疏处；半个周期后，这个节点附近的质点向两边散开形成稀疏区，而相邻波节处变为密集区。在这些驻波中，稀疏区使液体的折射率减小，而压缩作用使液体折射率增加，在距离等于波长Ａ的两点，液体的密度相同，折射率也相等，如图（１）所示。图（１）２．超声光栅册液体中的声速如图２(ａ)所示，在透明介质中，有一束超声波沿方

5、向传播，另一束平行光垂直于超声波传播方向(方向)入射到介质中，当光波从声束区中出射时，就会产生衍射现象。图２实际上由于声波是弹性纵波，它的存在会使介质(如纯水)密度在时间和空间上发生周期性变化如图２(a)，即＋　　（１－１）式中：z是沿声波传播方向的空间坐标，是t时刻z处的介质密度，为没有超声波存在时的介质密度，叫是超声波的角频率，Ａ是超声波波长，是密度变化的幅度。因此介质的折射率随之发生相应变化，即＋　（１－２）式中：为平均折射率，为折射率变化的幅度。考虑到光在液体中的传播速度()远大于声波的传播速度()，可以认为在液体中，由超声波所形成的疏密周期性分布，在光波通

6、过液体的这段时间内是不随时间改变的，因此，液体的折射率仅随位置z而改变如图２（ｂ），即　　　　　（１－３）由于液体的折射率在空间有这样的周期分布，当光束沿垂直于声波方向通过液体后，光波波阵面上不同部位经历了不同的光程，波阵面上各点的位相由下式给出：　　　　（１－４）式中：L是声速宽度；是光波角频率；c是光速。通过液体压缩区的光波波阵面将落后于通过稀疏区的波阵面。原来的平面波阵面变得折皱了，其折皱情况由n(z)决定，见图３可见载有超声波的液体可以看成一个位相光栅，光栅常数等于超声波波长。图３３．声光衍射的分类（1）当L(为真空中光波波长)时，就会产生对称于零级的多级衍

7、射，即拉曼—奈斯(Raman-NRth)衍射，和平面光栅的衍射几乎无区别，满足下式的衍射光均在衍射角于的方向上产生极大光强：（ｋ＝……）　　（１－５）（2）当L时，产生布拉格(Bragg)衍射，声光介质相当于一个体光栅，其衍射光强只集中在满足布拉格公式(　……)的一级衍射方向，且级不同时存在。４．实验装置由于布拉格衍射需要高频(几十兆赫兹)超声源，实验条件较为复杂，故本实验采用拉曼-奈斯衍射装置。实验装置连接如图４所示。超声池是一个长方形玻璃液槽，液槽的两通光侧面(窗口)为平行平面。液槽内盛有待测液体(如水)。换能器为压电陶瓷芯片，芯片两面引线与液槽上盖的接线柱