超声光栅实验ppt课件

超声光栅公共物理实验中心公共物理实验中心指导教师：史常圣指导教师：史常圣超超 声声 光光 栅栅公共物理公共物理实验实验中心指中心指导导教教师师：史常圣：史常圣1（一）（一）教师示范操作结束前不可移动、摆弄仪器用教师示范操作结束前不可移动、摆弄仪器用具！具！（二）（二）不可触摸光学元件的光学面！不可触摸光学元件的光学面！（三）（三）钠灯需预热五分钟后方可使用，不可反复开关！钠灯需预热五分钟后方可使用，不可反复开关！（四）（四）实验使用实验使用220V市电电源，注意用电安全！市电电源，注意用电安全！实 验 前 注 意 事 项（一）（一）教教师师示范操作示范操作结结束前不可移束前不可移动动、摆摆弄弄仪仪器用具！（二器用具！（二21、实验简介、实验简介2、实验目的、实验目的4、实验原理、实验原理3、实验仪器、实验仪器5、实验内容与步骤、实验内容与步骤注意事项注意事项数据处理要求数据处理要求思考题思考题目目 录录1、实验简实验简介介2、实验实验目的目的4、实验实验原理原理3、实验仪实验仪器器5、实验实验内容内容3 19221922年年布布里里渊渊（L LBrillouinBrillouin）曾曾预预言言，当当高高频频声声波波在在液液体体在在传传播播时时，如如果果有有可可见见光光通通过过该该液液体体，可可见见光光将将产产生生衍衍射射效效应应。这这一一预预言言在在1010年年后后被被验验证证，这这一现象被称作声光效应。一现象被称作声光效应。实验简介 1935 1935年，拉曼（年，拉曼（RamanRaman）和奈斯（）和奈斯（NathNath）对这一效）对这一效应进行研究发现，在一定条件下，声光效应的衍射光应进行研究发现，在一定条件下，声光效应的衍射光强分布类似于普通的光栅，所以也称为液体中的超声强分布类似于普通的光栅，所以也称为液体中的超声光栅。光栅。实验简实验简介介 1935年，拉曼（年，拉曼（Raman）和奈斯（）和奈斯（N4实 验 目 的 1.了解超声致光衍射的原理了解超声致光衍射的原理;2.掌握利用声光效应测定液体中声速的方掌握利用声光效应测定液体中声速的方法；法；3.掌握测微目镜的使用方法掌握测微目镜的使用方法实实 验验 目目 的的 1.了解超声致光衍射的原理了解超声致光衍射的原理;5实 验 原 理 压压电电效效应应：对对某某些些电电介介质质晶晶体体施施加加机机械械应应力力时时，晶晶体体因因内内部部正正负负电电荷荷中中心心发发生生相相对对位位移移而而产产生生极极化化，导导致致晶晶体体两两端端面面上上出出现现符符号号相相反反的的束束缚缚电电荷荷，其其电电荷荷密密度度与与应应力力成成正正比比。这这种种没没有有电电场场作作用用，由由机机械械应应力力的的作作用用而而使使电电介介质质晶晶体体产产生生极极化化并并形形成成晶晶体体表表面面电电荷荷的的现现象象称称为为压压电电效效应应。当当机机械械应应力力由压应力变成拉应力时，电荷符号也改变。由压应力变成拉应力时，电荷符号也改变。电电致致伸伸缩缩效效应应：与与压压电电效效应应相相反反，将将具具有有压压电电效效应应的的电电介介质质晶晶体体置置于于电电场场中中，电电场场的的作作用用引引起起电电介介质质内内部部正正负负电电荷荷中中心心产产生生相相对对位位移移，而而这这一一位位移移又又导导致致介介质质晶晶体体发发生生形形变变，晶晶体体的的这这种种由由外外加加电电场场产产生生形形变变的的现现象象称称为为逆逆压压电电效效应应也也叫叫电电致致伸伸缩缩效效应应。晶晶体体形形变变的的大大小小与与外外加加电电场场强强度度成成正正比比，当当电场反向时，形变也改变方向。电场反向时，形变也改变方向。实实 验验 原原 理理 压电压电效效应应：对对某些某些电电介介质质61、压电陶瓷换能器与超声波 利用压电陶瓷逆效应，在高频信号源（频利用压电陶瓷逆效应，在高频信号源（频率约率约10MHz）所产生的的交变电场的作用下，发）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（就形成超声波（20000Hz)，1、压电压电陶瓷陶瓷换换能器与超声波能器与超声波 利用利用压电压电陶瓷陶瓷7声光效应的应用声光效应的应用 用声光效应制成声光器件，如声光调制器、声光偏用声光效应制成声光器件，如声光调制器、声光偏 转器，在激光技术、光信号处理和集成光通信技术转器，在激光技术、光信号处理和集成光通信技术 等方面有着重要的应用。等方面有着重要的应用。激光雷达扫描、电视大屏幕显示器的扫描、高激光雷达扫描、电视大屏幕显示器的扫描、高 清晰图像传真、光信息储存。清晰图像传真、光信息储存。声光效声光效应应的的应应用用 用声光效用声光效应应制成声光器件，如声光制成声光器件，如声光调调制器、制器、8 超超声声波波纵纵波波在在盛盛有有液液体体的的玻玻璃璃槽槽中中传传播播时时，液液体体被被周周期期性性地地压压缩缩与与膨膨胀胀，其其密密度度会会发发生生周周期期性性的的变变化化，形形成成疏疏密密波波。稀稀疏疏作作用用会会使使液液体体密密度度减减小小、折折射射率率减减小小。压压缩缩作作用用会会使使液液体体密密度度增增大大、折折射射率率增增大大，因因此此液液体体密密度度的的周周期期变变化化，导导致致其其折折射射率率也也呈呈周周期期变变化化。若若超超声声行行波波以以平面波的形式沿平面波的形式沿X轴正方向传播时，波动方程可描述为轴正方向传播时，波动方程可描述为 式式中中y代代表表各各质质点点沿沿x方方向向偏偏离离平平衡衡位位置置的的位位移移，Am表表示示质质点点的的最最大大位位移移量量，Ts为为超超声声波波的的周周期期，s为为超超声声波波的的波波长长。图图一一给给出出了了某某时时刻刻液液体体内内传传播播的的超超声声波波形形（为为表表示示方方便便，图图中中质质点点沿沿x方方向向的的位位移移表表示示到到竖直方向上了）。竖直方向上了）。2、超声光栅形成原理(1)超声波驻波超声波驻波 超声波超声波纵纵波在盛有液体的玻璃槽中波在盛有液体的玻璃槽中传传播播时时，液体被周期性，液体被周期性9 如果超声波被液槽的一个垂直于如果超声波被液槽的一个垂直于x轴的平面反射，轴的平面反射，又会反向传播，当反射平面距波源为波长四分之一又会反向传播，当反射平面距波源为波长四分之一的奇数倍时，入射波与反射波分别为的奇数倍时，入射波与反射波分别为两者叠加得两者叠加得 如果超声波被液槽的一个垂直于如果超声波被液槽的一个垂直于x轴轴的平面反射，又会反向的平面反射，又会反向传传播，播，10超声光超声光栅实验栅实验ppt课课件件11图图1 1 初始时刻的波形图初始时刻的波形图 图图2 T/42 T/4周期时刻的波形图周期时刻的波形图图图3 T/23 T/2周期时刻的波形图周期时刻的波形图从图从图1-1-图图3 3中我们可以看到驻波在中我们可以看到驻波在T/2T/2个周期内各质点处密度变化情况，个周期内各质点处密度变化情况，从图中看出奇数点不发生振动，这样从图中看出奇数点不发生振动，这样的点为波节，且波节与波节处相距的点为波节，且波节与波节处相距/2/2，相邻节点处的密度变化不一致，相邻节点处的密度变化不一致，而相隔一个节点处密度变化一致。这而相隔一个节点处密度变化一致。这就说明密度具有相同变化周期的最小就说明密度具有相同变化周期的最小间隔是间隔是。图图1 初始初始时时刻的波形刻的波形图图 图图2 T/4周期周期时时刻的波形刻的波形图图图图312(2)超声光栅超声光栅 在距离等于波长的两点，液体的密度相同，折在距离等于波长的两点，液体的密度相同，折射率也相同，若波长为射率也相同，若波长为的的单色平行光单色平行光沿着垂直于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，相当于一超声光栅，其透镜聚焦出现衍射条纹，相当于一超声光栅，其光栅常数为光栅常数为。实际上，超声光栅是移动的实际上，超声光栅是移动的,由超声波的频率决由超声波的频率决定，但光的频率远远大于超声波的频率，故对光定，但光的频率远远大于超声波的频率，故对光而言此光栅可认为是静止的而言此光栅可认为是静止的.(2)超声光超声光栅栅 在距离等于波在距离等于波长长的两点，液体的密度相同的两点，液体的密度相同13从图从图1-1-图图3 3中我们中我们可以看到驻波在可以看到驻波在T/2T/2个个周期内各质点处密度周期内各质点处密度变化情况，从图中看变化情况，从图中看出奇数点不发生振动，出奇数点不发生振动，这样的点为波节，且这样的点为波节，且波节与波节处相距波节与波节处相距/2/2，相邻节点处的，相邻节点处的密度变化不一致，而密度变化不一致，而相隔一个节点处密度相隔一个节点处密度变化一致。这就说明变化一致。这就说明密度具有相同变化周密度具有相同变化周期的最小间隔是期的最小间隔是。反射板反射板反射板反射板从从图图1-图图3中我中我们们可以看到可以看到驻驻波在波在T/2个周期内各个周期内各质质点点处处密密143、光栅方程光栅方程光栅方程本实验中本实验中3、光、光栅栅方程光方程光栅栅方程本方程本实验实验中中15入射光波长入射光波长 取取589.30nm为衍射零级谱线至第为衍射零级谱线至第k级谱线的距离级谱线的距离为凸透镜为凸透镜2的焦距的焦距为超声波波长为超声波波长为超声波在液体中的传播速度为超声波在液体中的传播速度为信号源的振动频率为信号源的振动频率入射光波入射光波长长 取取589.30nm为为衍射零衍射零级谱线级谱线至第至第k级谱线级谱线16（a）是一种常见的丝杠式测微目镜的结构剖面图。鼓轮转动）是一种常见的丝杠式测微目镜的结构剖面图。鼓轮转动时通过传动螺旋推动叉丝玻片移动；鼓轮反转时，叉丝玻片时通过传动螺旋推动叉丝玻片移动；鼓轮反转时，叉丝玻片因受弹簧恢复力作用而反向移动。有因受弹簧恢复力作用而反向移动。有100个分格的鼓轮每转一个分格的鼓轮每转一周，叉丝移动周，叉丝移动1mm，所以鼓轮上的最小刻度为，所以鼓轮上的最小刻度为0.01mm。（b）表示通过目镜看到的固定分划板上的毫米尺、可移动分）表示通过目镜看到的固定分划板上的毫米尺、可移动分划板上的叉丝与竖丝以及被观测的几条干涉条纹。划板上的叉丝与竖丝以及被观测的几条干涉条纹。（a）是一种常）是一种常见见的的丝丝杠式杠式测测微目微目镜镜的的结结构剖面构剖面图图。鼓。鼓轮转动时轮转动时通通过过17实 验 仪 器FB760-8型型超超声声光光栅栅实实验验仪仪（数数字字显显示示高高频频功功率率信信号号源源，内内装装压压电电陶陶瓷瓷片片PZTPZT的的液液槽槽）、钠钠光光灯灯、狭狭缝、凸透镜缝、凸透镜1 1、凸透镜、凸透镜2 2、测微目镜、水、测微目镜、水实实 验验 仪仪 器器FB760-8型超声光型超声光栅实验仪栅实验仪（数字（数字显显示高示高频频功功18例：为了测量干涉条纹中的例：为了测量干涉条纹中的10个明（或个明（或暗）条纹距离，可以使叉丝和竖丝对准暗）条纹距离，可以使叉丝和竖丝对准第第n个明（或暗）条纹，先读毫米标尺上个明（或暗）条纹，先读毫米标尺上的整数，再加上鼓轮上的小数，即为该的整数，再加上鼓轮上的小数，即为该条纹的位置条纹的位置A。再慢慢移动叉丝和竖丝，。再慢慢移动叉丝和竖丝，对准第对准第n+10个明（或暗）条纹，得到位个明（或暗）条纹，得到位置置B。若。若A=2.735mm,B=4.972mm,则则11个条纹间的个条纹间的10个距离就是个距离就是:10 x=B-A=4.972-2.375=2.237mm。注意：注意：1、测微、测微目镜的竖丝或叉目镜的竖丝或叉丝交点只能在量丝交点只能在量程范围程范围内（一般内（一般取取mm）移）移动；动；2、测量时，只、测量时，只能沿一个方向旋能沿一个方向旋转读数鼓轮，避转读数鼓轮，避免空程误差；免空程误差；例：例：为为了了测测量干涉条量干涉条纹纹中的中的10个明（或暗）条个明（或暗）条纹纹距离，可以使叉距离，可以使叉丝丝194.调节透镜调节透镜L2与测微目镜的高度，使二者光轴与主光与测微目镜的高度，使二者光轴与主光轴重合。调焦目镜，使十字丝清晰。轴重合。调焦目镜，使十字丝清晰。5.调节钠灯位置，使钠灯照射在狭缝上，并且上下均调节钠灯位置，使钠灯照射在狭缝上，并且上下均匀，左右对称，光强适宜。匀，左右对称，光强适宜。6将待测液体（自来水）注入液槽，将液槽放置于光将待测液体（自来水）注入液槽，将液槽放置于光具座载物台上，放置时，使液槽两侧表面基本垂直于具座载物台上，放置时，使液槽两侧表面基本垂直于主光轴（液槽内超声波传播方向垂直）。主光轴（液槽内超声波传播方向垂直）。7.将高频连接线的一端接入液槽盖板上的接线柱，另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。一端接入超声光栅仪上的输出端。8调节测微目镜与透镜调节测微目镜与透镜L2的位置。使目镜中能观察的位置。使目镜中能观察到清晰的衍射条纹。到清晰的衍射条纹。4.调节调节透透镜镜L2与与测测微目微目镜镜的高度，使二者光的高度，使二者光轴轴与主光与主光轴轴重合。重合。调调20实验步骤与内容1.将器件按图放置。将器件按图放置。2.调节钠灯与狭缝高度；点亮钠灯，照亮狭缝。调节钠灯与狭缝高度；点亮钠灯，照亮狭缝。3.调节狭缝与透镜调节狭缝与透镜L1的位置，使狭缝与光具座垂直的位置，使狭缝与光具座垂直（光具座水平，狭缝竖直），狭缝中心法线与透镜（光具座水平，狭缝竖直），狭缝中心法线与透镜L1的光轴的光轴(即主光轴即主光轴)重合，且与光具座平行，二者间距重合，且与光具座平行，二者间距为透镜为透镜L1的焦距（即透镜的焦距（即透镜L1射出平行光）。射出平行光）。实验实验步步骤骤与内容与内容1.将器件按将器件按图图放置。放置。2.调节钠调节钠灯与狭灯与狭缝缝高度；点高度；点21 9前后移动液槽，从目镜中观察条纹间距是否改变，前后移动液槽，从目镜中观察条纹间距是否改变，若是，则改变透镜若是，则改变透镜L1的位置，直到条纹间距不变。的位置，直到条纹间距不变。10微调超声光栅仪上的调频旋钮，使信号源频率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称稳定的24级衍射条纹为止（使衍射的谱线出现间距级衍射条纹为止（使衍射的谱线出现间距最大，且最清晰的状态）记录此时的信号源频率。最大，且最清晰的状态）记录此时的信号源频率。11.利用测微目镜逐级测量各谱线位置读数，测量时单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：从的空程误差（例如：从3、0、+3）。）。9前后移前后移动动液槽，从目液槽，从目镜镜中中观观察条察条纹间纹间距是否改距是否改变变22数据记录备注：备注：入射光波长入射光波长 ：589.30nm，信号源的振动频率信号源的振动频率 ：Hz 凸透镜凸透镜2的焦距的焦距 f ：mm；实验室水温实验室水温 t：;20 时水中声速时水中声速1482.9m/s;温度系数温度系数2.5m/(s )衍射级数衍射级数k-3-2-10123谱线位置谱线位置读数读数(mm)第第1次次第第2次次数据数据记录备记录备注：入射光波注：入射光波长长 ：589.30nm，衍射，衍射级级23数据处理数据数据处处理理2420时，水（时，水（H2O）中标准声速）中标准声速vS=1480.0m/s=14802.5（13.720）1464 m/s20时时，水（，水（H2O）中）中标标准声速准声速vS=1480.0m/s=25注意事项1.调节个器件时，注意保持其同高共轴调节个器件时，注意保持其同高共轴同轴等高的同轴等高的调节，以凸透镜调节，以凸透镜1光轴为主光轴；光轴为主光轴；2.液槽置于载物台上必须稳定，在实验过程中应避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。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时才会形成较好的驻波，因此实验时应将液槽的上盖盖平。盖平。注意事注意事项项1.调节调节个器件个器件时时，注意保持其同高共，注意保持其同高共轴轴同同轴轴等高的等高的调节调节，264.在稳定共振时，数字频率计显示的频率应是稳定在稳定共振时，数字频率计显示的频率应是稳定的，最多只有最末尾有的，最多只有最末尾有12个单位数的变动个单位数的变动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。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。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，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。或用镜头纸擦净。7.实验完毕应将被测液体倒出，不要将压电陶瓷片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。长时间浸泡在液槽内。4.在在稳稳定共振定共振时时，数字，数字频频率率计显计显示的示的频频率率应应是是稳稳定的，最多只有最定的，最多只有最27思考题1驻波波节之间距离为半个波长，为什么超声光驻波波节之间距离为半个波长，为什么超声光栅的光栅常数等于超声波的波长？栅的光栅常数等于超声波的波长？2.测微目镜测量谱线位置读数时，为什么只能沿测微目镜测量谱线位置读数时，为什么只能沿一个方向旋转？一个方向旋转？3.如果在目镜中观察不到衍射条纹，请分析其原因。如果在目镜中观察不到衍射条纹，请分析其原因。4.如果在目镜中观察到的衍射条纹条数过少，请分如果在目镜中观察到的衍射条纹条数过少，请分析其原因。析其原因。思考思考题题1驻驻波波波波节节之之间间距离距离为为半个波半个波长长，为为什么超声光什么超声光栅栅的光的光栅栅常常28超声光超声光栅实验栅实验ppt课课件件29