超声光栅实验及数据处理
超声光栅实验
北京信息科技大学物理实验室
【实验目的】
1( 了解超声致光衍射的原理。
2( 利用声光效应测量声波在液体中的传播速度。
【实验原理】
光波在液体介质中传播时被超声波衍射的现象,称为超声致光衍射(亦称声光效应),这种现象是光波与介质中声波相互作用的结果。超声波调制了液体的密度,使原来均匀透明的液体,变成折射率周期变化的“超声光栅”,当光束穿过时,就会产生衍射现象,由此可以准确测量声波在液体中的传播速度。并且,由于激光技术和超声技术的发展,使声光效应得到了广泛的应用。如制成声光调制器和偏转器,可以快速而有效地控制激光束的频率、强度和方向,它在激光技术、光信号处理和集成通讯技术等方面有着非常重要的应用。
压电陶瓷片(PZT)在高频信号源(频率约10MHz)所产生的的交变电场的作用下,发生周期性的压缩和伸长振动,其在液体中的传播就形成超声波,当一束平面超声波在液体中传播时,其声压使液体分子作周期性变化,液体的局部就会产生周期性的膨胀与压缩,这使得液体的密度在波传播方向上形成周期性分布,促使液体的折射率也做同样分布,形成了所谓疏密波,这种疏密波所形成的密度分布层次结构,就是超声场的图象,此时若有平行光沿垂直于超声波传播方向通过液体时,平行光会被衍射。以上超声场在液体中形成的密度分布层次结构是以行波运动的,为了使实验条件易实现,衍射现象易于稳定观察,实验中是在有限尺寸液槽内形成稳定驻波条件下进行观察,由于驻波振幅可以达到行波振幅的两
倍,这样就加剧了液体疏密变化的程度。驻波形
成以后,某一时刻t,驻波某一节点两边的质点
涌向该节点,使该节点附近成为质点密集区,在
半个周期以后,t+T/2,这个节点两边的质点又
向左右扩散,使该波节附近成为质点稀疏区,而
相邻的两波节附近成为质点密集区。
图1 为在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
分析
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。由图1可见,超声光栅的性质是,在某一
,时刻t,相邻两个密集区域的距离为,为液体
中传播的行波的波长,而在半个周期以后,
t+T/2。所有这样区域的位置整个
,漂移了一个距离/2,而在其它时刻,波的现象 图1 则完全消失,液体的密度处于均匀状态。超声场形成的层次结构消失,在视觉上是观察不到的,
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当光线通过超声场时,观察驻波场
的结果是,波节为暗条纹(不透光),波腹为亮条纹(透光)。明暗条纹的间距为声波波长的一半,
,即为/2。由此我们对由超声场的层次结构所形成的超声光栅性质有了了解。当平行光通过超声光栅时,光线衍射的主极大位置由光栅方程决定。
,sin,,k, (k=0,1,2,……) (1) k
光路图如图2所示。
图2 超声光栅实验光路图 实际上由于角很小,可以认为: ,
(2) sin,,l/fkk
l其中为衍射零级光谱线至第k级光谱线的距离,f为L透镜的焦距,λ为钠光波长,所以超声2k
波的波长
,,k,/sin,,k,f/l (3) kk
超声波在液体中的传播速度:
(4) V,,,
,式中为信号源的振动频率。
【实验仪器】
实验装置主要由控制主机(超声信号源)、低压钠灯、光学导轨、光学狭缝、透镜、超声池、测微目
镜以及高频连接线组成。如图3所示。
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图3 超声光栅实验装置
【实验过程】
1.将器件按图3放置。低压钠灯于超声光栅试验仪相连。
2.调节狭缝与透镜L1的位置,使狭缝中心法线与透镜L1的光轴(即主光轴)重合,二者间距为透镜L1的焦距(即透镜L1射出平行光)。
3.调节透镜L2与测微目镜的高度,使二者光轴与主光轴重合。调焦目镜,使十字丝清晰。转动测微目镜鼓轮,使可移动的竖直叉丝位于主尺刻度3mm至5mm之间。
4.开启电源。调节钠灯位置,使钠灯照射在狭缝上,并且上下均匀,左右对称,光强适宜。 5.将狭缝调至水平,调节L2位置,使测微目镜中出现一条清晰的水平线。再调节测微目镜上下或左右位置,使水平线在测微目镜的视场中央。最后将狭缝转至垂直位置,这时视场中出现一条垂直亮线,且与测微目镜的垂直叉丝重合。
6(将待测液体(如蒸馏水、乙醇或其他液体)注入液槽,将液槽放置于支架上,放置时,使液槽两侧表面基本垂直于主光轴。
7.将高频连接线的一端接入液槽盖板上的接线柱,另一端接入超声光栅仪上的输出端。 8(前后移动液槽,从目镜中观察条纹间距是否改变,若是,则改变透镜L1的位置,直到条纹间距不变。 9(微调超声光栅仪上的调频旋钮,使信号源频率与压电陶瓷片谐振频率相同,此时,衍射光谱的级次会显著增多且谱线更为明亮。微转液槽,使射于液槽的平行光束垂直于液槽,同时观察视场内的衍射光谱亮度及对称性。重复上述操作,直到从目镜中观察到清晰而对称稳定的2–4级衍射条纹为止。 10(利用测微目镜逐级测量各谱线位置读数,测量时单向转动测微目镜鼓轮,以消除转动部件的螺纹间隙产生的空程误差(例如:从–3、…、0、…、+3)。
l11.自拟数据表格,记录各级各谱线的位置读数,计算第k级光谱线各谱线至衍射零级光谱线的距离。 k
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l12.计算的平均值平均值及总误差。计算液体中的声速及误差,写出
标准
excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载
形式 ;并将测出VΔVk
V的声速与理论值比较,得出百分误差。 Vt
【实验数据】
单色光源波长: λ?Δλ,(589.3?0.3)nm 透镜L2焦距: f?Δf,(157.0?0.4)mm
被测液体:
液体温度t:
V,V,α(t,t) 声速理论值: t00
测微目镜分辨率: Δls,0.01mm
,信号频率:
,信号频率分辨率:Δ,0.001MHz
,,f,,V
lk
,V,ΔV,,P,%, ,ΔV,E,,100%,V,
VV,tE表1.衍射级次和衍射谱线位置 ,,100%,kVt
L,Lk0L l, /mm/ mm ,l,l,l /mm kkkkkkk
-3 -2 -1 0 1 2 3
平均值
【注意事项】
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1.调节个器件时,注意保持其同高共轴。
2.液槽置于载物台上必须稳定,在实验过程中应避免震动,以使超声在液槽内形成稳定的驻波。导线分布电容的变化会对输出信号频率有影响,因此不能触碰连接液槽和信号源的导线。
3.压电陶瓷片表面与对面的液槽壁表面必须平行,此时才会形成较好的驻波,因此实验时应将液槽的上盖盖平。
4.在稳定共振时,数字频率计显示的频率应是稳定的,最多只有最末尾有1–2个单位数的变动。 5.实验时间不宜过长,因为声波在液体中的传播与液体温度有关,时间过长,液体温度可能有变化。实验时,特别注意不要使频率长时间调在高频,以免振荡线路过热。
6.提取液槽应拿两端面,不要触摸两侧表面通光部位,以免污染,如已有污染,可用酒精清洗干净,或用镜头纸擦净。
7.实验时液槽中会产生一定的热量,并导致媒质挥发,槽壁可见挥发气体凝聚,一般不影响实验结果,但须注意若液面下降太多致使压电陶瓷片外露时,应及时补充液体至正常液面线处。 8.实验完毕应将被测液体倒出,不要将压电陶瓷片长时间浸泡在液槽内。
9.计算时,透镜焦距f为透镜L2的焦距。
10.传声媒介在含有杂质时对测量结果影响较大,建议使用纯净水(市售饮用纯净水即可)、分析纯酒精、甘油等,对某些有毒副作用的媒质(如苯等),不建议学生实验使用,教师教学或科研需要时,应注意安全。
11.仪器长时间不用时,请将测微目镜收于原装小木箱中并放置干燥剂。液槽应清洗干净,自然晾干后,妥善放置,不可让灰尘等污物侵入。
【思考题】
1.为什么声光器件可相当于相位光栅,
2.怎样判断平行光束垂直入射到超声光栅面,怎样判断压电陶瓷片处于共振状态, 【附录】
纯净液体中的声速
oo,,Vms 速度tC温度 ,,,ms,C液体名称 00
海水 17 1510–1550 /
普通水 25 1497 2.5
甲醇 20 1123 –3.3
乙醇 20 1180 –3.6
V,V,,(t,t)表中α为温度系数,对于其他温度时的声速可近似按公式计算。 t00
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