实验十四 超声光栅仪
超声光栅
超声光栅
制作： 制作：林伟华
一.声光效应介绍 二.实验仪器 三.实验原理 四.实验内容 五.注意事项 六.思考题
一.声光效应介绍 声光效应介绍
当超声波在介质中传播时, 当超声波在介质中传播时,超声波使介质产生周期 性变化的弹性应力或应变, 性变化的弹性应力或应变,导致介质密度的空间分 布出现疏密相间的周期性变化， 布出现疏密相间的周期性变化，从而导致介质的 折射率相应变化。光束通过这种介质, 折射率相应变化。光束通过这种介质,就好像通过 光栅一样,会产生衍射现象。这种现象称为超声致 光栅一样,会产生衍射现象。这种现象称为超声致 光衍射（亦称声光效应）。 ）。这种载有超声的透明 光衍射（亦称声光效应）。这种载有超声的透明 超声光栅。 介质称为超声光栅 介质称为超声光栅。
六.思考题
1.实验时可以发现，当超声频率升高时， 1.实验时可以发现，当超声频率升高时，衍射条 实验时可以发现 纹间距加大，反之则减小，这是为什么？ 纹间距加大，反之则减小，这是为什么？ 2.超声光栅与平面衍射光栅有何异同？ 2.超声光栅与平面衍射光栅有何异同？ 超声光栅与平面衍射光栅有何异同
声光衍射可分为两类： 声光衍射可分为两类：
1. 当 L<<Λ2/(2πλ0) 时 , 式中L 为声束宽度， Λ 为声波在介 L<<Λ /(2 式中 L 为声束宽度 ， 质中的波长， 为真空中的光波波长， 质中的波长 ， λ0 为真空中的光波波长 ， 就会产生对称与零 级的多级衍射， 拉曼-奈斯（Raman-Nath）衍射。 级的多级衍射 ， 即 拉曼 - 奈斯 （ Raman-Nath ） 衍射 。 此时和 平面光栅的衍射几乎没有区别， 平面光栅的衍射几乎没有区别，满足下式的衍射光均在衍射 的方向上产生极大光强: 角φ的方向上产生极大光强: sinφ=mλ0/Λ ，m=0,±1,±2 ... sinφ=mλ m=0 L>>Λ /(2 声光介质相当于一个体光栅， 2.当L>>Λ2/(2πλ0)时 ,声光介质相当于一个体光栅， 产生 布拉格(Bragg)衍射， (Bragg)衍射 布拉格 (Bragg) 衍射 ， 其衍射光强只集中在满足布拉格公式 sinφ =mλ /(2 m=0 （ sinφB=mλ0/(2Λ) ， m=0,±1, ±2 ... ） 的一级衍射 方向， 级不同时存在。 方向，且±1 级不同时存在。
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。
超声光栅实验报告
超声光栅实验报告超声光栅实验报告引言：超声光栅是一种利用超声波与光波相互作用的技术，它可以实现高分辨率的光学成像。
本实验旨在研究超声光栅的原理、工作方式以及其在实际应用中的潜力。
一、超声光栅的原理超声光栅的原理基于声光效应和光栅效应的结合。
声光效应是指声波与光波之间的相互作用，当声波通过介质时，会引起介质中的折射率变化，从而改变光波的传播特性。
而光栅效应是指光波通过具有周期性折射率变化的介质时，会发生衍射现象，从而形成光栅图样。
超声光栅利用这两种效应的相互作用，实现了对光波的调制和控制。
二、超声光栅的工作方式超声光栅一般由超声发射器、介质和光探测器组成。
超声发射器产生超声波，将其传播到介质中。
介质中的声波通过声光效应改变了介质的折射率，从而形成了一个具有周期性折射率变化的光栅。
当入射光波通过光栅时，会发生衍射现象，形成衍射光栅图样。
光探测器可以检测到衍射光栅的强度分布，并将其转化为电信号输出。
三、超声光栅的应用超声光栅在许多领域都有广泛的应用。
其中，最常见的应用是在光通信领域。
超声光栅可以用来实现光信号的调制和解调，从而提高光纤通信的传输速率和容量。
此外，超声光栅还可以应用于光学成像和光谱分析等领域。
通过调整超声波的频率和强度，可以实现对光波的调制和控制，从而获得高分辨率的光学成像结果。
四、超声光栅的优势与挑战超声光栅相比传统的光学技术具有许多优势。
首先，超声光栅可以实现对光波的高度可控性，可以调整超声波的频率和强度，从而实现对光波的高精度调制和控制。
其次，超声光栅具有高分辨率和高灵敏度的特点，可以实现对微小变化的检测和测量。
然而，超声光栅的应用还面临一些挑战。
例如，超声光栅的制备和调试过程较为复杂，需要较高的技术要求和设备支持。
此外，超声光栅在实际应用中还需要进一步解决光损耗、杂散光等问题。
结论：超声光栅作为一种新兴的光学技术，具有广阔的应用前景。
通过对超声光栅的原理、工作方式和应用进行研究，我们可以更好地理解超声光栅的特点和优势，并为其在实际应用中的进一步发展提供参考。
超声光栅实验
仪器使用说明TEACHER'S GUIDEBOOKFD-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0.001MHz2．光刻狭缝缝宽：0.04mm，缝长：6mm3．透镜通光孔径： 28mm，透镜焦距：157mm4．超声池长度：80mm，宽度：40mm，高度：59mm5．测微目镜测量范围：0－8mm，分辨率：0.01mm6．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。
超声光栅实验
20℃时，水（H2O）中标准声速vS=1480.0m/s
V t V 0(tt0)= 1480＋2.5×（13.7－20）
＝1464 m/s
E V t V 1 0 0 % 1 4 6 4 1 4 3 7 1 0 0 % 1 .8 %
V t
1 4 6 4
注意事项
1.调节个器件时，注意保持其同高共轴同轴等高的 调节，以凸透镜1光轴为主光轴；
10．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（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。
数据处理要求
注意事项
思考题
实验简介
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。
极化并形成晶体表面电荷的现象称为压电效应。当机械应力
由压应力变成拉应力时，电荷符号也改变。
•
电致伸缩效应：与压电效应相反，将具有压电效应的电
介质晶体置于电场中，电场的作用引起电介质内部正负电荷
中心产生相对位移，而这一位移又导致介质晶体发生形变，
晶体的这种由外加电场产生形变的现象称为逆压电效应也叫
电致伸缩效应。晶体形变的大小与外加电场强度成正比，当
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。
超声光栅实验及数据处理
超声光栅实验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。
超声光栅实验原理
超声光栅实验原理
超声光栅实验原理：
①声光效应当超声波在液体中传播时会形成一系列等间距平面波前使液体折射率呈现出周期性变化；
②光束入射将单色激光束垂直或倾斜入射到上述含有超声波的液体池中由于声光相互作用而发生衍射现象；
③衍射级次根据布拉格条件只有那些满足2nλ=2dSinθ的衍射角才能获得增强其余方向光强则大大减弱；
④衍射效率随着超声强度增大衍射角附近光强逐渐增强直到某个饱和值其余方向光则被极大抑制；
⑤波长选择通过改变超声频率可以连续调节衍射角从而实现对光波长的选择性滤波适用于光谱分析；
⑥强度调制若保持频率不变仅改变超声强度则可控制衍射效率实现对光强连续调制适用于通信显示；
⑦相位调控由于声光相互作用还会引起相位延迟效应因此可用于激光相位共轭光学信息处理等领域；
⑧温度影响实际应用中需注意温度变化会导致声速折射率波动进而影响调制性能需采取恒温措施补偿；
⑨压电驱动为产生稳定可控超声波通常采用压电换能器作为声源其特点是响应速度快频率范围广；
⑩集成优化近年来随着微机电系统技术发展出现了将声光池换能器驱动电路集成在同一芯片上的产品；
⑪多功能化除了基本调制功能外现代超声光栅还兼具偏振旋转模式转换等附加功能拓宽应用范围；
⑫发展趋势展望未来超声光栅将朝着小型化宽带化智能化方向发展以适应更多新兴领域需求。
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实验十四 超声光栅
（综合性实验）
【实验目的】
1．了解超声光栅产生的原理；
2．利用超声光栅衍测声波在介质中的速度。
【实验仪器及设备】
SG －1型超声光栅仪、分光计.
【实验原理】
一、综述
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作声光效应。
1922年
布里渊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
拉曼和奈斯发现，在一定条件下，声光效应
的衍射光强分布类似于普通光栅衍射。
这种
声光效应称作拉曼－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。
二、实验原理
1．超声光栅的形成
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，从面加剧了介质的疏密变化。
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，而压缩作用使折射率增大（图1）。
从声源发出的超声波在透明介质中传播，如果反射面与声源的距离满足半波长的整数倍时，就会形成驻波。
声波是纵波，这样在介质中就会形成节点处，介质的密度相对波腹处的密度小，透明介质就形成一个正弦光栅。
2．测声速
波长为λ单色平行光束沿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，只要槽宽到能维持平面波，槽中液体就相当一个衍射光栅。
图中声波的波长Λ即相当于光栅常量。
根据光栅方程，衍射的主极大（光谱线）由下式决定：
λϕk k =Λsin ),2,1,0( ±±=k （1）
只要测出衍射角，即可根据已知光波求得声波在该介质传播的波长
k
k ϕλsin =Λ ),2,1,0( ±±=k 则在该介质中声波的传播速度为
νϕλνk
k u sin =Λ= ),2,1,0( ±±=k （2） 式中ν是超声波的频率，
实验中是高频功率信号源
与压电陶瓷片的共振频
率。
由于超声光栅的光栅
常量很大，因此衍射角很
小；当使用分光计测衍射
角时，各波长的谱线无法
分开，难以测量。
卸下分
光计望远镜上的阿贝目
镜，安上读数目镜，可读
取各级谱线与零级的距离，由于衍射角很小，如图2所示有 f
x tg k k '=ϕ （3) 且有k k k tg ϕϕϕ==sin ，故（2）式改写为 νλk
x f k u '= ),2,1,0( ±±=k （4） 其中f '为分光计望远镜物镜的焦距，k x 为第k 级光谱到零级的距离。
3．实验装置介绍
实验是通过置于玻璃液槽中的压电换能器把电振荡转化成在液体中传播的超声波。
由于压电换能器对面槽壁的反射作用，从面在液槽中形成稳定的驻波。
超声波调制了液体的密度，使原来均匀的透明液体变成具有折射率周期变化的“超声光栅”。
当光束穿过超声光栅时，就象穿过普通刻线光栅那样产生衍射现象。
由于超声光栅即是振幅光栅，又是位相栅，而且光栅常量（即声波波长）是可变的，因此比普通光栅衍射实验可观察到更丰富的物理现象。
超声池为90×50×60mm 3的矩形玻璃液槽。
聚乙烯绝缘盖下垂直装有锆钛酸铅压电陶瓷
片。
盖上的两个接线柱与压电陶瓷两电极相接。
压电陶瓷片（PZT ）在高频功率信号源（频率约为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。
信号源是一晶体管自激振荡器。
PZT 片与可变电容并联构成LC 振荡回路的电容部分，是一个螺旋线圈，通过晶体管的正反馈电路的，能够产生和维持等幅振荡，调整面板上的电容可以改变振荡频率。
【实验内容和步骤】
一、分光计的调整
分光计的调整同“分光计的调整和使用”实验中的要求。
二、超声池的调节
1．超声池置分光计的载物台上，目视超声池水平，与准直管垂直；
2．超声池内盛待测液体，接通压电陶瓷片的激励电源；
3．转动望远镜，并适当调节器信号频率，可在狭缝两侧看到汞灯至少三级的对称衍射光谱；
4．调节载物台，使左右光谱对称等高。
三、测量
对蒸馏水和乙醇两种液体各自对汞灯的声光衍射的紫（435.8n5）`绿（546.1nm）、黄（578.1nm）各级的衍射角。
根据（2）式计算蒸馏水、乙醇中的声速。