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实验八利用超声光栅测定液体中的声速
光通过处在超声波作用下的透明介质时发生衍射的现象称做声光效应。19
22年布里渊(Brillouin,L.1889—1969)曾预言液体中
的高频声波能使可见光产生衍射效应,10年后被证实。1935年拉曼(Ra
man,C.V.1888—1970)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,它提供了一种调控光束频率、强度和方向的方法。本实验要求在
了解超声光栅基本原理的基础上掌握实验的调节和测量方法。
【预习重点】
(1)了解产生超声光栅的原理,为什么能够用它来测量超声波速度。
(2)测微目镜的使用方法(参阅第2章2.4.3)。
参考书:《光学原理》下册,M.玻恩、E.沃耳夫著,第十二章。
【仪器】
超声光栅实验仪(数字显示高频功率信号源及内装压电陶瓷片的液槽)、带
测微目镜的光学测角计、仪器高压汞灯。
锆钛酸铅压电陶瓷片(PZT)在高频功率信号源(频率约10MHz)交
变电场作用下,发生周期性的压缩和伸长,这种高频振动在介质中的传播就是超
声波。信号源是一个晶体管自激振荡器。PZT片与可变电容器并联构成LC振
荡回路的电容部分,电感L是一个螺旋线圈,通过晶体管的正反馈电路的作用,
能够产生和维持等幅振荡。调整面板上的电容器可以改变振荡频率。
1
【原理】
在透明介质中传播的超声波使介质的局部发生周期性的压缩与膨胀,以致密
度随之发生相应的变化。如行波被反射,可在一定条件下形成驻波,从而加剧介
质的疏密变化。某时刻,纵驻波的任一波节两边成为质点密集区,而相邻的波节
处为质点稀疏区;半个周期后,这个节点附近的质点又向两边散开变为稀疏区,
相邻波节处变为密集区。稀疏作用使介质折射率减小,而压缩作用使介质折射率
增大(图46—1)。
单色平行光束沿着垂直于超声波传播方向通过槽中液体时,因超声波的波长
很短,只要槽足够宽,槽中液体就像一个衍射光栅。图中声波的波长Λ即相当
于光栅常数。根据光栅方程,衍射的主极大(光谱线)由下式决定:
Λsinφ=kλ(k=0,1,2)(46—1)
k
超声的实验光路如图46—2所示,实际上因φ角很小,可以认为
sinφ=l/f
kk
其中:l为光栅衍射零级至第k级光谱的距离;f为透镜L的焦距。所以超声
k2
波波长
Λ=kλ/sinφ=kλf/l(46—2)
kk
超声光栅在液体中传播的速度
c=λν(46—3)
式中:ν是高频功率信号源与压电陶瓷的共振频率。
2
图46—1在t和t+T/2(T为超声振动周期)两时刻振幅y、液体疏密
分布和折射率n的变化
【实验要求】
图46—2超声光栅衍射光路
3
(1)按要求调节光学测角计(参见第2章2.4.3)。将测角计的阿贝
式自准目镜换成测微目镜。调节目镜使其分划板及准直管的狭缝像竖直清晰,并
消除误差。
参照图46—2所示光路,将液槽稳妥地放在测角计的载物台上。
在压电陶瓷片上加高频功率信号电压,仔细调节频率和液槽方位,直到目镜
视场出现稳定而清晰的左右至少各三级对称的衍射光谱。
(2)对蒸馏水和乙醇两种液体的声光衍射用测微目镜分别测量蓝紫、绿、
黄3谱线各级的位置,及时记录频率和液体温度(可用室温)。
【数据处理】
(1)测出黄、绿、蓝紫等谱线各衍射级的位置。
黄光波长577.0nm;WB绿光波长:546.1nm
蓝紫光波长:435.8nm;DW透镜焦距:170mm
液体名称:酒精频率:MHz
(2)由表中数据计算出各谱线的左右各级衍射间距2l。
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