超声光栅实验.docx

1、超声光栅实验仪器使用说明TEACHERS 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Shan ghai Fuda n Tia nxin Scie ntific_Educatio n In strume nts 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

2、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

3、指标1超声信号源2.光刻狭缝3.透镜共振频率约10.000MHz左右，分辨率 0.001MHz缝宽：0.04mm,缝长：6mm通光孔径： 28mm透镜焦距：157mm5. 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。 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

4、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 H2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

5、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【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

6、）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

7、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，驻波某一这个图1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，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，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，当光线通过超声场时，观察驻

8、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 入/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。d sin k k ( k=o, 1, 2,) (1)光路图如图 2所示。实际上由于 角很小，可以认为:sin k lk / f其中lk为衍射零级光谱线至第 k级光谱线的距离， f为L2透镜的焦距，所以超声波的波长d k /sin k k f /Ik ( 3)超声波在液体中的传播速度：v ( 4)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)

9、 、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。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，使狭缝与分光计垂直，狭缝中心法线与透镜 L1的光轴（即主光轴）重合，且与分光计平行。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。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，将液槽放置于分光计上，放置时，使液 槽两侧表

10、面基本垂直于主光轴。6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。7.调节测微目镜与透镜 L2的位置。使目镜中能观察到清晰的衍射条纹。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

11、，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）。11.自拟数据表格，记录各级各谱线的位置读数，计算各谱线衍射条纹平均间距，并计算液体中的声速V。【实验数据】（注：以下数据不作为仪器验收标准，仅供实验时参考）单色光源波长入=(589.3 0.3 ) nm透镜L2焦距f =( 157.0 0.4 ) mm被测液体普通水液体温度t = 12 ocVt V。(t t0)= 1497 + 2.5 X( 12-25)= 1464 m/s信号频率=9.130 MHzkLkL|k| L|k| 1 (mm)L|k| L|k|2/2(mm)Lk 3/3(mm)-31.5470.5830.58

12、50.584-22.1300.5860.584-12.7160.58203.29813.8830.58524.4990.6160.60135.0690.5700.5930.590表1.衍射级次k和衍射谱线位置lk112L k Lk 1L|k| L|k22L|k| L|k 3 31(0.583+0.586+ +0.584+0.590)120.588(mm)f 589.3 10 9 157.0 10 3 9.130 1063 1437 (m/s)lk 0.588 10 3Vt V 100% 1464 1437 100% 1.8%Vt 1464【注意事项】1.调节个器件时，注意保持其同高共轴。2.液

13、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

14、。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。

15、【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生光栅面？怎样判断压电陶瓷片处于共振状态？3.从实验数据去检验声光衍射条件是否满足。【参考资料】1.沈元华，陆申龙基础物理实验北京：高等教育出版社 2003.275 2812.光学手册陕西科技出版社 1986.P. 1089【附录】纯净液体中的声速液体名称温度t0/oc速度v0 msm/soC苯胺201656-4.6丙酮201192-5.5苯201326-5.2海水171510 - 1550/普通水1514972.5甘油201923-1.8煤油341295/甲醇201123-3.3乙醇201180-3.6表中a为温度系数，对于其他温度时的声速可近似按公式 V V0 (t t0)计算。上海复旦天欣科教仪器有限公司 FD-UG-A型超声光栅实验仪 装箱清单 您购买的产品与装箱清单中是否符合，请验收。日期：年 月 日编号名称数量备注1超声光栅实验主机壹台2低压钠灯壹台3光学导轨壹根4滑块伍个5狭缝转盘壹个6透镜贰个焦距约157mm7测微目镜壹个配固定架8超声池壹个9超声池架壹个10高频连接线壹根11钠灯连接线壹根12主机电源线壹根13仪器使用说明壹份14合格证壹份15装箱清单壹份使用说明内16