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超声光栅测液体的声速
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。
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。
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3
3.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相连。当压电陶瓷芯片由超声光栅仪输出的高频振荡信号驱动时,就会在液体中产生超声波。
1.钠光灯2.平行光管3.超声池4.望远镜(去掉目镜筒)5.测微目镜
6.压电陶瓷芯片7.导线8.频率显示窗9.超声光栅仪10.调频旋钮
图4
单色平行光沿着垂直于超声波传播方向上通过上述液体时,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。这种现象与平行光通过透射光栅的情形相似。因为超声波的波长很短,只要盛装液体的液体槽的宽度能够维持平面波,槽中的液体就相当于一个衍射光栅。途中行波的波长A相当于光栅常数。即
图5超声光栅衍射光路
在调好的分光计上,由单色光源和和平行广管中的汇聚透镜L1与可调狭缝s组成平行光系统如图5所示。让垂直通过液槽(PZT),在玻璃槽的另一侧,用自准望远镜的物镜L2和测微目镜组成望远镜系统。若振荡器使PZT芯片发生超声振动,形成稳定驻波,从测微目镜即可观察到衍射光谱,从图5中可以看出,当很小时,有:
其中,为衍射光谱零级至k级的距
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