超声光栅与平面透射光栅衍射图样的比较研究

超声光栅与平面透射光栅衍射图样的比较研究

谢莉莎;刘彩霞;肖苏;邓小玖

【期刊名称】《大学物理》

【年(卷),期】2010(029)005

【摘要】分析了超声光栅的形成机理,给出了超声光栅衍射图样光强分布的解析表示,通过理论分析和数值模拟对超声光栅与平面透射光栅的衍射图样进行了比较研究.结果表明其衍射主极大满足类似的光栅方程,但衍射条纹的强度分布不同;都能产生缺级现象,但规律不同;超声光栅是一种动态光栅,各级衍射谱线的频率不同.

【总页数】4页(P27-29,35)

【作者】谢莉莎;刘彩霞;肖苏;邓小玖

【作者单位】合肥工业大学物理系,安徽,合肥,230009;合肥工业大学物理系,安徽,合肥,230009;合肥工业大学物理系,安徽,合肥,230009;合肥工业大学物理系,安徽,合肥,230009

【正文语种】中文

【中图分类】O436.1

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实验3.11 超声光栅实验讲义

实验3.11 超声光栅及应用 1922年布里渊（L.Brillouin ）曾预言，当高频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，这一现象被称作声光效应。1935年，拉曼(Raman)和奈斯(Nath)对这一效应进行研究发现，在一定条件下，声光效应的衍射光强分布类似于普通的光栅，所以也称为液体中的超声光栅。后来，由于激光技术和超声波技术的发展，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，他在激光技术、光信号处理和集成通信技术等方面有着非常重要的应用。 【实验目的】 1. 了解声光效应的原理。 2. 掌握利用声光效应测定液体中声速的方法。 【实验仪器】 超声光栅实验仪（数字显示高频功率信号源，内装压电陶瓷片PZT 的液槽），钠灯，测微目镜，透镜及可以外加液体（如矿泉水）。 【实验原理】 在透明介质中，有一束超声波沿着OZ 方向传播，另一束平行光垂直于超声波传播方向（OY 方向）人射到介质中，当光波从声束区中出射时，就会产生衍射现象。 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ρ在时间和空间上发生周期性变化，如图3.11-1所示。即 ()?? ? ? ?Λ- ?+=z t t z s πωρρρ2sin ,0 （3.11-1） 式中，Z 为沿声波传播方向的空间坐标，ρ为t 时刻Z 处的介质密度，ρ0为没有超声波存在时的介质密度，ωs 为超声波的角频率，Λ为超声波波长，?ρ为密度变化的幅度。因此介质的折射率随之发生相应变化，即 ()?? ? ? ?Λ - ?+=z t n n t z n s πω2sin ,0 （3.11-2） 式中n 0为平均折射率，?n 为折射率变化的幅度。

超声光栅实验

仪器使用说明 TEACHER'S GUIDEBOOK FD-UG-A 超声光栅实验仪 中国.上海复旦天欣科教仪器有限公司Shanghai Fudan Tianxin Scientific_Education Instruments Co.,Ltd.

FD-UG-A超声光栅实验仪使用说明 一、概述 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。 由上海复旦天欣科教仪器有限公司生产的FD-UG-A型超声光栅实验仪改变了以往超声光栅在分光仪上完成的传统，将平行光管和望远镜中的各个光学元件独立的放置在光学导轨上，让学生自主调节，这样增加了学生动手能力方面的锻炼，并且将可调狭缝改为光刻狭缝，这样观察到的衍射光谱更加锐细明亮，测量更加准确。 该仪器测量准确度高，实验稳定可靠，适用于高等院校基础物理实验以及近代物理实验。二、仪器简介 图1 超声光栅仪器装置 三、技术指标 1．超声信号源共振频率约10.000MHz左右，分辨率0.001MHz 2．光刻狭缝缝宽：0.04mm，缝长：6mm 3．透镜通光孔径： 28mm，透镜焦距：157mm

4．超声池长度：80mm，宽度：40mm，高度：59mm 5．测微目镜测量范围：0－8mm，分辨率：0.01mm 6．光学导轨长度：650mm，长度测量分辨率：1mm 四、实验项目 1．了解声光效应的实验原理。 2．学习利用声光效应测量液体中的声速。 3．学习光路准直的调节以及读数显微镜的使用方法 五、注意事项 1. 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。 2. 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。 3. 压电陶瓷片的共振频率在10MHz左右，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。 4. 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10MHz以上，以免振荡线路过热。 5. 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。 6. 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。 7. 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。 8. 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。 9. 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。

超声光栅实验报告

超声光栅实验报告 一、实验背景介绍 超声光栅是由光学叠加和声学叠加两个物理效应综合而成的一种光学装置。其基本原 理是在光路中设置超声波振动源和光栅，利用超声波的自然调制能力从而实现了光场的调制。在超声光栅中，麦克风将声信号通过调制速度变化并传递至声光晶体上，从而形成了 光学调制。超声光栅的主要应用包括回波测距、声光调制、光学滤波等。 本实验主要是探究超声光栅的基本原理和应用，结合实验过程和结果，对超声光栅撰 写一份实验报告。 超声光栅具有声光调制的基本原理，即在光学信号的传输过程中通过外加声波的调制，从而实现光场的调制。超声光栅主要由声光晶体、激光器、检光器、超声波振动源和信号 处理部分组成。 1.声光晶体 声光晶体是指通过特定的光折射介质，使光波与机械振动的耦合相互作用，并且产生 相应的全息衍射现象。声光晶体不仅可以将光学信息转化为声学信息，还可以将声学信息 转化为光学信息。 2.超声波振动源 超声波振动源主要是利用压电板能够在电力作用下产生振动的特性，通过外加电压来 实现振动的控制。一般采用的超声波源为50kHz左右的振动频率，通过改变频率和振幅来 改变其调制光学信号的能力。 3.信号处理部分 信号处理部分主要是利用检光器进行光信号的检测与处理，并且可以将检测到的反馈 信号通过数字化等处理，从而对声光晶体的特性进行更加准确的控制和调节。 三、实验器材与步骤 1.实验器材 （1）激光器 （4）振荡器 （6）频率计

（7）可变电压源 （8）数字存储示波器 2.实验步骤 （1）将激光器和声光晶体结合起来，并且在光路中设置超声波振动源。 （2）调整超声波源的频率，使其与声光晶体产生谐振现象，并且获得最佳光学调制效果。 （3）串联检光器，利用数字示波器来检测光学信号的强度变化，并且通过改变声光晶体的特性对其进行控制。 （4）采用可变电压源对声光晶体进行调制，从而获得不同调制频率和幅度的超声光栅。 四、实验结果与分析 在本次实验中，我们采用了调制频率为50kHz和声光晶体宽度为0.75cm的超声光栅，通过数字示波器得到了如下的调制图像。 图1 超声光栅的光学调制图像 从图中可以看到，随着声光晶体的调制，光学信号的强度也出现了明显的变化，并且出现了多个光学峰位。这些峰位是超声光栅的光阻抗的表现，即由于声光晶体造成了光场的扩散现象，从而形成了光学峰位。 此外，在实验的过程中我们还对超声光栅的频率和幅度进行了调制，通过数字存储示波器得到了不同频率和幅度下的光学调制结果并进行了对比。实验发现，在调制频率为50kHz的情况下，随着声光晶体的幅度的增加，光学信号的光阻抗也逐渐变大。这种频率和幅度之间的关系是超声光栅调制的基本特性，可以用于实现多种不同的光学调制效果。 五、实验总结 通过本次实验，我们探究了超声光栅的基本原理和调制原理，并且通过数字存储示波器得到了不同频率和幅度下超声光栅的调制效果。通过实验还发现，超声光栅可以实现多种不同的光学调制效果，并且在实际应用中有着广泛的应用前景。因此，这次实验不仅可以让我们了解到新颖的声光调制技术，还对今后的科研和应用工作有着重要的指导作用。

超声光栅实验报告

超声光栅实验报告 一、实验目的 本实验的主要目的是通过超声光栅实验，掌握超声波在介质中的传播规律，了解光栅原理及其应用，学习使用超声光栅测量物体的尺寸和形状等参数。 二、实验原理 1. 超声波在介质中的传播规律 当超声波穿过介质时，会发生反射、折射和散射等现象。其中，反射是指超声波遇到界面时部分能量被反射回来；折射是指当超声波从一个介质进入另一个介质时，会发生方向改变；散射是指当超声波遇到不均匀性介质时，会发生随机散射。 2. 光栅原理及其应用 光栅是一种具有周期性结构的光学元件，其作用是将入射光分解为不同频率的衍射光。在超声光栅实验中，利用光栅原理可以将超声波转换成可见光信号进行测量。 3. 超声光栅测量物体参数 在超声光栅实验中，可以通过测量衍射图案中条纹的间距和角度等参数，计算出物体的尺寸和形状等信息。

三、实验步骤 1. 准备实验仪器及材料，包括超声光栅装置、示波器、信号发生器、 测量卡尺等。 2. 将超声光栅装置放置在被测物体旁边，调整其位置和角度，使其与 被测物体成一定角度。 3. 连接信号发生器和示波器，并设置合适的频率和幅值。 4. 打开示波器，并观察衍射图案。根据图案中条纹的间距和角度等参数，计算出被测物体的尺寸和形状等信息。 5. 重复以上步骤，测量多个角度下的衍射图案，并对比分析数据。 四、实验结果与分析 通过本次实验，我们成功地利用超声光栅装置对不同形状的物体进行 了测量。在实验过程中，我们发现当超声波入射角度改变时，衍射图 案中条纹的间距会发生变化。因此，在进行测量时需要注意调整超声 光栅装置的位置和角度。 五、实验总结 本次实验通过使用超声光栅装置，成功地测量了不同形状的物体。通 过实验，我们深入了解了超声波在介质中的传播规律和光栅原理及其 应用。同时，我们也掌握了使用超声光栅测量物体参数的方法和技巧。通过本次实验，我们不仅加深了对超声光栅实验的理解，还提高了实 验操作能力和数据分析能力。

实验报告 超声光栅

实验报告超声光栅 实验名称：超声光栅的建立及调试实验 实验目的： 1.了解超声光栅的基本原理及结构组成； 2.学习超声光栅的实验装置操作方法及调试； 3.熟悉超声光栅测量光栅常数的方法； 4.熟悉使用光学放大系统观察和测量超声光栅的布拉格衍射； 5.能够进行简单的光栅常数测量或光栅光程差的测量。 实验原理： 超声光栅是利用声波混频技术，在光栅上产生空间可变的光学相位调制的一种新型光学元件。在超声光栅中，超声波作为信号源，振动电极上的铝膜产生光栅周期性折射率的改变，其光学表现形式类似光栅。 超声光栅沿晶体光路平行极向布置有电极，电极上蒸镀一层铝膜（或用其他金属或复合膜代替）。声波是由压电陶瓷转换成的，超声波在电极中引起变形，变形的铝膜引起晶体中折射率的调制，折射率的周期性改变使得光在这类元件中出现衍射现象。 实验设备： 1.超声光栅实验装置（包括超声发生器、驱动电路、光源器、CCD相机、光学放大成像系统）； 2.光栅调节台及光学元件（包括激光、透镜、平行光波片、偏光片等）； 3.三角板、直尺等通用仪器。 实验步骤： 1.搭建实验装置，连接好仪器仪表和电路； 2.开启光源器和CCD相机，将激光充分聚焦，通过调节偏光片和平行光波片，使得激光合适地入射到光栅上，产生布拉格衍射； 3.逐渐改变光栅的倾角，观察布拉格衍射云图的变化，找出最佳的光栅角； 4.测量光栅常数。通过移动CCD相机位置，精确地测量出光栅截面中布拉格衍射的像距、物距和入射角等参数。最后利用井口斯达定理求解得出光栅常数。

5.测量光栅光程差。将光栅放在特定位置，测量出空气中的偏振干涉条纹的周期，通过计算得出光栅光程差。 实验结果和分析： 1.在调整光栅的倾角时，我们发现随着倾角的改变，布拉格衍射云图的峰位置会左右移动，但峰的高度不会发生明显的变化。因此我们可以选择峰最亮的位置作为最佳角度。 2.通过测量得到光栅常数为（2.850±0.003）um。 3.通过计算得到光栅光程差为（307.5±0.7）nm。 4.我们还观察到，在光栅常数保持不变的情况下，改变光栅与入射光束的倾角，布拉格衍射的角度会发生改变。这是由于入射角与布拉格角的改变导致的。 实验结论： 通过本次实验，我们掌握了超声光栅的基本原理和结构组成，并学习了调试技巧。同时，我们还学会了测量光栅常数和光程差的方法，对光栅的性质有了更加深入的了解。

光栅衍射与超声光栅实验报告

光栅衍射与超声光栅实验报告 一、实验目的 本实验旨在通过光栅衍射与超声光栅的实验，掌握光学干涉和衍射的 基本原理，了解超声波的基本特性，并掌握超声光栅的工作原理。 二、实验原理 1. 光栅衍射 光栅是由许多平行等距的透明或不透明条纹组成，当入射光线通过光 栅时，会发生衍射现象。在垂直于条纹方向上观察，则会出现一系列 亮暗相间的条纹。这些条纹称为衍射条纹，它们是由入射光经过不同 路径差后叠加而成。 2. 超声波 超声波是指频率高于20kHz的机械波。它具有穿透力强、反射性能好、传播速度快等特点，在医学、工业等领域有广泛应用。 3. 超声光栅 超声光栅是利用超声波在介质中传播时所产生的周期性压缩膨胀作用 来形成一种类似于光学中衍射格子的装置。当超声波通过介质时，会 在介质中形成一系列压缩膨胀的波形，这些波形相互叠加形成了一个 周期性的压缩膨胀序列，即超声光栅。

三、实验步骤 1. 光栅衍射实验 a. 将光源置于光栅的一侧，调整光源位置和角度使得入射光线垂直于 光栅表面。 b. 在距离光源较远的位置放置屏幕，调整屏幕位置使得衍射条纹清晰 可见。 c. 更换不同间距和条纹数的光栅，观察衍射条纹的变化。 2. 超声光栅实验 a. 将超声发生器连接至超声探头，并将探头放置在水中。 b. 将激励信号输入超声发生器，并调节频率和振幅使得超声波在水中 传播。 c. 在水中放置一个透明平板，并观察通过平板后形成的超声光栅。 四、实验结果与分析 1. 光栅衍射实验结果 通过观察不同间距和条纹数的光栅，在垂直于条纹方向上可以看到一 系列亮暗相间的条纹。当光栅间距增大时，衍射条纹间距也随之增大；当光栅条纹数增多时，衍射条纹也会变得更加密集。 2. 超声光栅实验结果 通过观察透明平板后形成的超声光栅，可以看到一系列周期性的压缩

超声光栅实验报告

超声光栅实验报告 引言 超声光栅技术是一种利用超声波和光学原理相结合的测量技术，它可以通过探测声波在材料中传播的变化来获取材料的信息。本实验旨在通过搭建超声光栅实验装置，研究超声波传播的特性，并检测不同材料的声速。 实验装置 实验装置主要由超声波发射器、超声波接收器、光栅、透镜、光电检测器等组成。超声波发射器用于产生超声波信号，超声波接收器用于接收声波信号并将其转换为电信号。光栅则用于通过光学方法来检测超声波的传播情况，透镜用于聚焦光栅接收到的光信号，光电检测器用于将光信号转换为电信号。 实验步骤 1.搭建实验装置：将超声波发射器和接收器固定在合适位置，并将光栅、透镜 和光电检测器依次安装在相应位置。 2.调试超声波发射器和接收器：通过调节超声波发射器和接收器的位置和参数， 确保二者之间的传播路径畅通无阻，并能够正常地发送和接收超声波信号。3.发射超声波信号：通过超声波发射器产生超声波信号，并将信号通过光栅进 行传播。观察并记录光栅上的干涉条纹情况。 4.接收光信号：使用透镜将光栅上的光信号聚焦在光电检测器上，并将光信号 转换为电信号。 5.分析数据：利用电信号的特性，通过计算和比较不同材料中超声波的传播时 间，得到不同材料的声速。 实验结果 通过实验我们得到了不同材料的声速数据，并进行了统计和分析。 材料声速 (m/s) 空气343 水1480 铝6320

材料声速 (m/s) 钢5960 结果分析 根据上述数据，我们可以看出不同材料的声速差异很大。空气的声速最低，而钢的声速最高。这是因为声速与材料的密度和弹性模量有关。空气的密度和弹性模量都很低，所以声速也较低。相比之下，水、铝和钢的密度和弹性模量都较高，因此它们的声速也较高。 实验误差 在实验过程中，可能会遇到一些误差，导致实验结果与理论值有所偏差。可能的误差来源包括仪器误差、操作误差和环境影响等。为了减小误差，我们应该精确地测量实验数据，并对数据进行合理处理和分析。 实验改进 为了进一步提高实验的准确性和可靠性，我们可以进行以下改进措施： 1. 提高仪器的精确度：选择高精度的超声波发射器、接收器和光电检测器，以减小仪器误差。 2. 控制环境影响：在实验过程中，尽量减小外界干扰，例如保持实验室的温度和 湿度稳定。 3. 多次测量取平均：重复进行实验，取多次数据的平均值来降低个别数据的误差影响。 总结 通过本实验，我们成功搭建了超声光栅实验装置，并通过光学和电信号相结合的方法，研究了超声波在不同材料中的传播情况，并得到了不同材料的声速数据。通过对实验结果的分析，我们了解到声速与材料的密度和弹性模量有密切关系。同时，我们也了解到进行实验时应注意控制误差和提高实验可靠性的方法。通过这次实验，我们不仅学习了超声光栅技术的原理和应用，还培养了实验操作和数据分析的能力。这对我们的学习和科研工作都具有重要意义。

南昌大学超声光栅实验报告

南昌大学物理实验报告 课程名称：大学物理实验 实验名称：超声光栅 学院：专业班级： 学生姓名：学号： 实验地点：座位号： 实验时间：

当满足声光喇曼－奈斯衍射条件：2πλι/A2<<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） 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，如图二所示。 让光束垂直通过装有锆钛酸铅陶瓷片（或称PZT 晶片）的液槽，在玻璃槽的另一侧，用自准直望远镜中的物镜（L2）和测微目镜组成测微望远系统。若振荡器使PZT晶片发生超声振动，形

成稳定的驻波，从测微目镜即可观察到衍射光谱。从图二中可以看出，当φk很小时，有： 其中l k为衍射光谱零级至k级的距离；f为透镜的焦距。所以超声波波长： 超声波在液体中的传播的速度： 式中的v是振荡器和锆钛酸铅陶瓷片的共振频率，Δl k为同一色光衍射条纹间距。 三、实验仪器： 图三是实验中使用的超声光栅声速仪为WSG-I超声光栅声速仪（有关仪器结构及主要技术性能详见仪器说明书）。1为单色光源（汞），2为分光计狭缝，3为分光计平行光管，4为分光计裁物台，5为液体槽盖上的接线柱，6为液体槽及超声片，7为分光计望远镜，8、9为测微目镜。接线柱接出信号线接至电源箱的输出端，由电源箱提供高频信号。 四、实验内容和步骤： 1、分光计的调整（调整方法可参阅分光计的说明书），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，观察望远镜的光轴与载物台的台面平行。目镜调焦使看清分划板刻线，并以平行光管出射的平行光为准，调节望远镜使观察到的狭缝清晰，狭缝应调至最小，实验过程中无需调节； 2、采用低压汞灯作光源； 3、将待测液体（如蒸馏水、乙醇或其他液体）注入液体槽内，液面高度以液体槽侧面的液体

超声光栅实验及数据处理

超声光栅实验及数据处理超声光栅实验是一种用于研究超声波在光学介质中传播特性的实验方法。在超声光栅实验中，超声波的频率通常在几十兆赫至几百兆赫之间，声波的传播速度和光波的传播速度相比，可以忽略不计。因此，可以利用光波在超声波中传播时的干涉现象，观察到超声波对光波的调制作用，以及超声波自身存在的衍射现象。本文将对超声光栅实验及数据处理进行介绍。 一、实验原理 超声光栅实验利用了超声波对光学介质的调制作用，将一束单色光照射到超声波的波面上，由于超声波的调制作用，单色光被衍射成多个不同频率的光束，这些光束之间会发生干涉作用，从而在空间上呈现出明暗相间的条纹。 二、实验装置 超声光栅实验的实验装置包括以下几个部分： 1.激光器：产生一束单色、平行、连续的光束。 2.光学系统：将激光器产生的光束聚焦到超声波的波面上，同时接收衍射后的 光束。 3.超声波发生器：产生一定频率的超声波。 4.示波器：观察干涉条纹。 三、实验步骤 1.将激光器产生的光束通过光学系统聚焦到超声波的波面上。 2.开启超声波发生器，调整超声波的频率和振幅。 3.调整光学系统的位置和角度，使衍射后的光束能够照射到示波器上。 4.观察示波器上的干涉条纹，记录不同位置和不同频率下的干涉条纹情况。 5.关闭超声波发生器，调整光学系统的位置和角度，使衍射后的光束能够照射 到光谱仪上。 6.对光谱仪上的衍射光谱进行分析和处理。

四、数据处理 在实验结束后，需要对实验数据进行处理和分析。具体包括以下几个步骤：1.对干涉条纹进行拍照，利用图像处理软件对干涉条纹进行定性和定量分析， 得到干涉条纹的间距和亮度分布等信息。 2.对衍射光谱进行拍照和测量，得到不同频率下的衍射光谱强度和相位等信 息。 3.利用干涉条纹的信息和衍射光谱的信息，对超声波的频率、振幅、相位等参 数进行测量和计算。 4.根据测量和计算得到的结果，对实验数据进行进一步的处理和分析，例如绘 制曲线图、计算相关物理量等。 5.对实验结果进行分析和讨论，得出相应的结论。 在数据处理过程中需要注意以下几点： 1.对于干涉条纹的拍照和处理，需要选择适当的曝光时间和ISO感光度等参 数，以便得到清晰的干涉条纹图像。 2.对于衍射光谱的测量和处理，需要注意光谱仪的分辨率和测量范围等参数， 以便得到准确的光谱数据。 3.在测量和计算超声波的参数时，需要注意选择适当的测量点和时间，以便得 到准确的测量结果。 4.在数据处理过程中需要注意误差分析和数据处理方法的正确性，以便得到准 确的实验结果。 5.对于实验结果的分析和讨论，需要结合相应的理论知识进行深入分析和讨 论，以便得出准确的结论。

超声光栅实验报告

超声光栅实验报告 一、实验目的与实验仪器 1.实验目的 （1）介绍超音波光栅的原理和采用； （2）利用超声光栅声速仪测量超声波在水中的传播速度。 2.实验仪器 gsg―1型超声光栅声速仪、超声发生器（工作频率9~13mhz）、换能器、液槽、jjy-1’型分光仪（物镜焦距f=168mm）、测微目镜（测微范围8mm）、放大镜、待测液及光源（钠灯或汞灯）等。 二、实验原理 介质受到超声波周期性的扰动，其折射率也将发生变化，此时光通过这种介质，就像 透过投射光栅一样，这种现象称为超声致光衍射，把这种载有超声波的透明介质称为超声 光栅。利用超声光栅可以计算超声波在透明介质中的速度。 设立超声波在液体中以平面波形式沿x方向，在x方向液体中波的形式如下： y1=amcos[2π()] 式中，y1为偏移平衡位置的加速度量；am为振幅，ts为超声波周期，λs为超声波 波长。 若在垂直x方向有一反射平面，则超声波被平面反射后沿x反方向传播，有如下方程： y2=amcos[2π()] 当正反两方向的平面波叠加形成驻波时，平衡位置的偏移量为 y=y1+y2=2amcos2πcos2π 超声波形成驻波时，压缩作用使节点处折射率增大，稀疏作用使远离节点处折射率变小，这样液体折射率就出现周期性变化，平行光沿着与超声波传播方向呈一定夹角的方向 通过时会被衍射。由光栅方程可知： asinφk=kλ 式中，k为衍射级次，φk为k级衍射角。超声光栅光路图如下所示： 在右侧望远镜中可以观测至绕射条纹。从上图中几何关系所述：

tanφk=当φk很小时，有 sinφk= 式中，lk为零级衍射到k级衍射之间的距离，f为透镜焦距，则超声波波长为 a= 超声波在液体中传播速度为 = v=aν= 三、实验步骤 ν= 式中，ν就是换能器共振频率，为同一波长光相连绕射级别绕射条纹间距。 （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 心横向，平行光管与望远镜同轴并辐照度平行光，调节望远镜并使观测至的狭缝准确；（2）将试样液体转化成超音波池，液面高度以液体槽侧面的液体高度刻线为依据；（3） 将超音波池置放于分光计的载物台上，并使超音波池两侧表面基本旋转轴望远镜和平行光 管的光轴；（4）两支高频连接线的一端填入超音波池盖板接线柱，另一端互连超音波信 号源的高频输入端的，然后将液体槽盖板砌在液体槽上； （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）挑下阿贝目镜，穿上测微目镜，调焦目镜，并使准确观测至的绕射条纹。利用 测微目镜逐级测量其边线读数并记录。 四、数据处理 1.数据记录 条纹位置度数（单位：mm） 级次光色-31.8781.4051.282-22.4802.1672.070- 13.1052.9452.88003.6803.6803.68014.2704.4594.53524.8365.2055.32635.5365.9626.1 43蓝绿徐换能器共振频率：ν=9.579mhz2.怱差法求条纹间距蓝光：=绿光：=黄光：=

超声光栅实验报告

一、实验目的与实验仪器 1■实验目的 （1）了解超声光栅的原理和使用； （2）利用超声光栅声速仪测量超声波在水中的传播速度。 2■实验仪器 GSG —1型超声光栅声速仪、超声发生器（工作频率9~13MHz ）、换能器、液槽、JJY-1' 型分光仪（物镜焦距f = 168mm ）、测微目镜（测微范围8mm）、放大镜、待测液及光源（钠灯或汞灯）等。 二、实验原理 介质受到超声波周期性的扰动，其折射率也将发生变化，此时光通过这种介质，就像透 过投射光栅一样，这种现象称为超声致光衍射，把这种载有超声波的透明介质称为超声光栅。利用超声光栅可以计算超声波在透明介质中的速度。 设超声波在液体中以平面波形式沿x方向，在x方向液体中波的形式如下： £ x -- y i = A m cos[2 •勺] 式中，yi为偏离平衡位置的位移量；Am为振幅，Ts为超声波周期，入为超声波波长。 若在垂直x方向有一反射平面，则超声波被平面反射后沿x反方向传播，有如下方程： t X + —y2 = A m cos[2 •）]当正反两方向的平面波叠加形成驻波时，平衡位置的偏移量为 X t j 丫 y = y i+y2 = 2A m COs2 n cos2 n 超声波形成驻波时，压缩作用使节点处折射率增大，稀疏作用使远离节点处折射率变小， 这样液体折射率就出现周期性变化，平行光沿着与超声波传播方向呈一定夹角的方向通过时 会被衍射。由光栅方程可知： Asin力=k入 式中，k为衍射级次，抵为k级衍射角。 超声光栅光路图如下所示：

尹1 Id 1 1 j 在右侧望远镜中可观察到衍射条纹。从 上图中几何关系可知: + % - 艸 tan 力= Ji? m 当$ k 很小时，有 sin $=「 式中，Ik 为零级衍射到k 级衍射之间的距离，f 为透镜焦距，则超声波波长为 超声波在液体中传播速度为 式中，V 是换能器共振频率，■'为同一波长光相邻衍射级别衍射条纹间距。 三、实验步骤 (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 II J I 血 ■仃F ；卅； kXf v = A = S • 2/v 丄

超声光栅

超声光栅 填空题 1. 写出测量超声波声速的公式：k l f V ∆= Λ=γ λγ 2. 在超声光栅实验中，测量衍射条纹的间距时，用测微目镜沿—个方向逐级测量 其位置读数，其目的是要避免空程差。 3. 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（声光效应）。 4．在超声光栅实验中，超声池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。 简答题 1． 逐差法处理数据的优点是什么？ 答：能够充分利用测量数据，更好地发挥多次测量取平均值的效果。可验证表达式 或求多项式的系数。 2． 在超声光栅实验中，若只调出1级衍射谱线，应如何调整找到3级以上的 衍射谱线？ 答：调节频率调节旋钮，使电振荡频率与压电换能器固有频率共振。此时，衍射 光谱级次会显著增多而且明亮。为使平行光束垂直于超声束传播方向，可微调载物台，使观察到的衍射光谱左右对称，级次谱线亮度一致。经过上述仔细调节，一般应观察到3级以上的衍射谱线。 3． 在超声光栅测声速实验中，应如何正确放置超声池？ 答：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． 在超声光栅测声速实验中，当找到谱线后，若发现两侧光谱的谱线级次不一样， 应如何调整？ 答：可微调载物台，使观察到的衍射光谱左右对称，级次谱线亮度一致。 超声光栅测声速实验数据处理： 实验数据记录 实验温度：30 C 声波传播介质：纯净水 数据处理： l f V ∆=/λν 黄色谱线：λ=578.0nm f =170mm

1.2854.506-5.971 1.4913.793-5.284 1.482 3.024- 4.506=== MHz m m l m m l k 40.11|35.1144.11|7095 .02/419.1419.1=+===∆=∆ν V 黄=s m s m /6.1507/10 7095.1040.1110170100.5783 6 39=⨯⨯⨯⨯⨯⨯--- 绿色谱线： 2.123 4.506-6.629 2.0403.832- 5.872 2.121 3.139-5.260 2.107 2.399-4.506==== MHz m m l m m l K 40.1169925.009775.2==∆=∆ν V 绿=s m s m /5.1513/10 69925.01040.1110170101.5463 6 39=⨯⨯⨯⨯⨯⨯--- 蓝色谱线： 1.1184.506-5.624 1.1003.985-5.085 1.1173.389-4.506=== MHz mm l mm l K 40.11556.0117.1==∆=∆ν V 蓝=s m s m /0.1519/556 .040.111017010435.83 9=⨯⨯⨯⨯-- 1510.0m/s /s 1519.0)/3m 1513.5(1507.6V C =++= 温度修正公式：)(o o t t t A V V -+= 普通水：V O =1497m/s. A=2.5(m/s*k) t o =25o C V 30=1497+2.5⨯(30-25)=1509.5m/s 本实验测量结果：V 30=1510.0m/s E=%033.05 .15095 .15090.1510=-

超声光栅测声速实验

用超声光栅测液体中的声速 1932年，德拜（Debge）和席尔斯（Sears）在美国以及陆卡（Hucas）和毕瓜（Biguand）在法国，分别独立地首次观察光在液体中的超声波衍射的现象，从而提出了直接确定液体中声速的方法。 【实验目的】 1、了解超声致光衍射的原理 2、学会一种利用超声光栅测量超声波在液体中传播速度的方法。 【实验原理】 单色光沿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，所以称为超声光栅。 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。某时刻，纵驻波的任一波节两边的质点都涌向这个节点，使该节点附近成为质点密集区，而相邻的波节处为质点稀疏处；半个周期后，这个节点附近的质点有向两边散开变为稀疏区，相临波节处变为密集区。在这些驻波中，稀疏作用使液体折射率减小，而压缩作用使液体折射率增大。在距离等于波长A的两点，液体的密度相同，折射率也相等，如图1所示。 图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 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。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（宽度为ι），槽中的液体就相当于一个衍射光栅。图中行波的波长A 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：202/L πλΛ<<时，式中L 为声束宽度，Λ 为声波在介质中的波长，0λ 为真空中的光波波长，这种衍射与平面光栅衍射类似，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）： sin k k φλ Λ= (1) 在调好的分光计上，由单色光源和平行光管中的可调狭缝S 与会聚透镜（L 1）组成平行光系统，如图2所示。 图2 WSG-I 型超声光栅声速仪衍射光路图 让光束垂直通过装有锆钛酸铅陶瓷片（或称PZT 晶片）的液槽，在玻璃槽的另一侧，用自准直望远镜中的物镜（L 2）和测微目镜组成测微望远系统。若振荡器使PZT 晶片发生超声振动，形成稳定的驻波，从测微目镜即可观察到衍射光谱。从图2中可以看出，当k φ很小时，有： sin /k k l f φ= (2) 其中k l 为衍射光谱零级至 k 级的距离，f 为物镜L 2的焦距，所以超声波波长： /sin /k k k k f l λφλΛ== (3) 超声波在液体中的传播速度： /k f l υνλν=Λ=∆ (4) 式中的v 是振荡器和锆钛酸铅陶瓷片的共振频率，k l ∆为同一色光衍射条纹间距。

光栅特性与超声光栅实验报告

竭诚为您提供优质文档/双击可除光栅特性与超声光栅实验报告 篇一：大学物理实验报告系列之超声光栅 大学物理实验报告 篇二：实验报告-光栅特性的研究 实验报告 姓名：班级：学号：实验成绩： 同组姓名：实验日期：20XX-9-16指导老师：助教28批阅日期：光栅特性的研究 【实验目的】 1．进一步熟悉光学测角仪的调整和使用 2.测量光栅的特性参数。 3.掌握Rc、RL串联电路的幅频特性和相频特性的测量方法。 4.从测定钠灯和汞灯光谱在可见光范围内几条谱线的波长过程中，观测和研究光栅的衍射现象。

【实验原理】 1.光栅衍射 有大量等宽间隔的平行狭缝构成的光学元件 成为光栅．设光栅的总缝数为n，缝宽为a，缝间 不透光部分为b，则缝距d=a+b，称为光栅常 数．按夫琅和费光栅衍射理论，当一束平行光垂 直入射到光栅平面上时，通过不同的缝，光要发 生干涉，但同时，每条缝又都要发生衍射，且n 条缝的n套衍射条纹通过透镜后将完全重合．如图1所示，当衍射角θ满足光栅方程dsinθ=kλ（k=0、±1、±2、…）时，任两缝所发出的两束光都干涉相长，形成细而亮的主极大明条纹． 2．光栅光谱 单色光经过光栅衍射后形成各级主 极大的细亮线称为这种单色光的光栅衍 射谱．如果用复色光照射，由光栅方程 可知不同波长的同一级谱线（零级除外） 的角位置是不同的，并按波长由短到长 的次序自中央向外侧依次分开排列，每 一干涉级次都有这样的一组谱线．在较 高级次时，各级谱线可能相互重叠．光 栅衍射产生的这种按波长排列的谱线称为光栅光谱．

评定光栅好坏的标志是角色散率和光栅的分辨本领． 若入射光束不是垂直入射至光栅平面（图2），则光栅的衍射光谱的分布规律将有所变化．理论指出：当入射角为i 时，光栅方程变为 【实验数据记录、实验结果计算】 1、白色条纹角度：25720’7721’ 2、绿光 绿光的测量数据 2、蓝光 蓝光的测量数据 3、紫光 紫光的测量数据 4、黄光1 黄光1的测量数据 4、黄光2 黄光2的测量数据 篇三：超声光栅实验 TeAcheRsguIDebooK 仪器使用说明 FD-ug-A 超声光栅实验仪 中国.上海复旦天欣科教仪器有限公司

声光效应测溶液浓度

声光效应测溶液浓度 1 引言 1922年布里渊（L·Brillouin）曾预言，当高频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，这一现象被称作声光效应。1935年，拉曼（Raman ）和奈斯（Nath ）对这一效应进行研究发现，在一定条件下，声光效应的衍射光强分布类似于普通的光栅，所以也称为液体中的超声光栅。在科学研究中, 溶液的浓度是一项重要的计量参数。测量溶液浓度的方法很多, 如重力法、光纤法、棱镜折射法等。现在基于超声光栅测液体声速的原理, 根据浓度不同声速也不同的特点, 可以测量与声波波长相对应的超声光栅常数, 从而实现对浓度的测量。本实验为测量溶液（非电解质溶液）的浓度提供了一种思路和方法。 2 利用声光效应测溶液浓度 2.1超声光栅形成原理 超声波是一种纵向机械应力波。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。某时刻，纵驻波的任一波节两边的质点都涌向这个节点，使该节点附近成为质点密集区，而相邻的波节处为质点稀疏处；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，相临波节处变为密集区。在这些驻波中，稀疏作用使液体折射率减小，而压缩作用使液体折射率增大。在距离等于波长A 图1 的变化 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。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（宽度为l ），槽中的液体就相当于一个衍射光栅。图中行波的波长A 相当于光栅常数。 2.2声光效应测声速实验原理 当满足声光喇曼－奈斯衍射条件：l πλ2/A 2 <<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，k φ为零级与k 级间夹角） sin k A k φλ= 在调好的分光计上，由单色光源和平行光管中的会聚透镜（L 1）与可调狭缝S 组成平行光系统，如图2所示。让光束垂直通过装有锆钛酸铅陶瓷片（或称PZT 晶片）的液槽，在玻璃槽的另一侧，用自准直望远镜中的物镜（L 2）和测微目镜组成测微望远系统。

超声光栅

超声光栅 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 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。透明液体密度（从而折射率）的周期分布相当于相位光栅，会对光线产生衍射。实验在有限尺寸液槽内形成稳定驻波条件下进行观察。图1中，S 为高频振荡器，Q 为压电晶片，G 为超声液池。晶片平面的线度远大于超声波波长，在介质中产生纵波。超声波遇到平面反射，与入射波叠加。如果晶片与反射面的距离是半波长的整数倍时，形成驻波。调节振荡器的频率与晶片的固有频率相同，可以得到最强的超声波，形成的超声光栅具有最大的衍射效率，效果明显。 液体分子受到超声波的驱动做往返运动，在波腹处振幅最大，越靠近波节振幅越小，在波节处振幅为零。不考虑液体分子的无规则运动，物理图象如下：分子在各自平衡位置附近振动，波腹处振幅最大，从而压强最大，折射率也最大；越靠近波节振幅越小，波节处为零，折射率最小。波节两侧的分子运动方向相反，相邻波节之间的分子运动方向相同。 如图2所示，平行光垂直于超声液池入射，在远处的屏上能观察到夫琅禾费衍射。如果知道了光的波长，测量衍射光的角分布，根据光栅方程就可以得到超声的波长。再根据信号频率，可以算出超声波在该介质中的速度。 λθk k ±=Λsin ,2,1,0±±=k Λ=f v 实验内容

实验二 超声光栅实验及数据处理(已修改)

超声光栅实验 【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。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λ，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Λ/2，而在其它时刻，波的现象图1