超声光栅

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物电 学院 02 班 学号 200840610248 姓名 朱彪 实验日期 3.24 教师签字 成绩 【实验名称】 超声光栅 【实验目的】 1． 理解声光调制的理论； 2．了解并学习超声光栅声速仪的原理和使用； 3. 利用超声光栅声速仪测量超声波在水中的传播速度。 【实验仪器】 WSG—1型超声光栅声速仪（信号源、液体槽、锆钛酸铝陶瓷片），分光计，测微目镜，低压汞灯 【实验原理】 光波在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）。 超声波作为一种纵波在液体中传播时，其声压使液体分子产生周期性的变化，促使液体的折射率也相应地作周期性的变化，形成疏密波。此时，如有平行单色光垂直于超声波传播方向通过这疏密相同的液体时，就会被衍射，这一作用，类似光栅，所以称为超声衍射。 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。这种现象与平行光通过

持平面波（宽度为τ），槽中的液体就相当于一个衍射光栅。图中行波的波长Λ相当于光栅常数。由超声波在液体中产生的光栅作用称作超声光栅。当满足声光喇曼——奈斯衍射条件2πλτ／Λ２〈〈１时，这种衍射相似于平面光栅衍射，可得如下光栅方程（式中k为衍射级次，φk为零级与k级间夹角）AsinkKsinkLKf在调好的分光计上，由单色光源和平行光管中的会聚透镜（L1）与可调狭缝S组成平行光系统，如图2所示：其中Lk为衍射光谱零级至K级的距离；f为透镜（L2）的焦距（JJY分光计f170mm）。 所以超声波波长： AKsinKffvAfkLkLk超声波在液体中的传播速度：Lk 式中为振荡器和锆钛酸铅陶瓷片的共振频率。Lk为相邻两条同色衍射条纹之间的距离。 【实验内容】 （1）、分光计的调整，用自准直法使望远镜聚焦于无穷远，望远镜的光轴与分光计的转轴中心垂直，平行光管与望远镜同轴并出射平行光，调节望远镜使观察到的狭缝清晰； （2）、将待测液体注入超声池，液面高度以液体槽侧面的液体高度刻线为准； （3）、将超声池放置于分光计的载物台上，使超声池两侧表面基本垂直于望远镜和平行光管的光轴； （4）、两支高频连接线的一端插入超声池盖板接线柱，另一端接入超声信号源的高频输出端，然后将液体槽盖板盖在液体槽上；

（5）、开启超声信号源电源，从阿贝目镜观察衍射条纹，细微调节电振荡频率与锆钛酸铅陶瓷片固有频率共振，此时，衍射光谱的级次会显著增多且更为明亮，仔细调节，可观察到左右各3－4级以上的衍射光谱； （6）、取下阿贝目镜，换上测微目镜，调焦目镜，使清晰观察到的衍射条纹。利用测微目镜逐级测量其位置读数并记录。 【数据表格与数据记录】 黄3578.0nm 绿2546.1nm 蓝1435.8nmf=170.0mm 频率r 11.89 11.90 11.88 11.78 11.84 11.56 光色 级数 -2 -1 0 1 2 黄/mm 1.855 3.262 3.288 4.275 5.704 绿/mm 2.089 3.480 3.288 4.175 5.415 蓝/mm 2.712 3.748 3.288 4.012 4.908 数据处理 逐差法 d黄（5.7041.855）（4.2753.262）23Lk Lk黄0.810mm 同理得Lk绿0.670mm Lk蓝0.736mm 又AKsinfL vAfr kkLk—6又r16ri11.83MHZ i1

所以v黄frLk黄1438.720m/s 同理v绿frL1643.353m/s k绿同理v蓝frL1193.831m/s k蓝 【小结与讨论】 小结：1.必须使超声池的侧壁与望远镜保持垂直，否则无法找到光谱 2.陶瓷片必须与超声池的两端平行，否则观察到的谱线是不对称的。 超声信号源工作一段时间后，必须冷却一段时间，否者会照成频率紊乱。 讨论：影响衍射条纹清晰度的有哪些因素 平行光束垂直于声波方向，仪器精密度，超声池的正确放置等都将影响条纹清晰度

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