超声光栅测量声速.doc

超声光栅测量声速
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做声光效应。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的衍射。这种声光效应称做拉曼-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。
实验内容
1、打开低压汞灯的电源开关；
2、分光计的调整（调整方法可参阅分光计的实验）
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高度刻线为准；
4、将此液体槽（可称其为超声池）放置于分光计的载物台上，放置时，使超声池两侧表面基本垂直于望远镜和平行光管的光轴；
5、两条高频连接线的一端各插入液体槽盖板上的接线柱，另一端接入超声光栅信号源的高频输出端，然后将液体槽盖板盖在液体槽上；
6、开启超声光栅信号源电源，从阿贝目镜观察衍射条纹，调节频率微调旋钮，当信号频率与锆钛酸铅陶瓷片固有频率基本相同时产生共振，此时，衍射光谱的级次会显著增多且更为明亮；
7、如果此前分光计已调整到位，可转动分光计载物台或游标盘使超声池左右转动，能使射入超声池的平行光束完全垂直于超声波束，同时观察目镜视场内的衍射光谱左右级次亮度及对称性，直到从目镜中观察到稳定而清晰的左右各3－4级的衍射条纹为止；
8、取下阿贝目镜，换上测微目镜，调焦目镜，使清晰观察到衍射条纹。利用测微目镜逐级测量其位置读数（例如：从－3、…、0、…、＋3），再用逐差法求出条纹间距的平均值。
9、声速计算公式为：

式中：λ－光波波长；－共振时频率计的读数；－同一种颜色的衍射条纹间距；－望远镜物镜焦距。
实验的重与难点
1、理解驻波法和位相法测声波波长的原理。
2、测超声波的波长。
仪器简介
超声光栅实验仪由超声信号源、超声池、高频信号连接线、测微目镜等组成，并配置了具有11MHz左右共振频率的锆钛酸铅陶瓷片。
超声信号源面板如图所示：

图1超声信号源面板示意图
1、电源开关2、频率微调旋钮
3、高频信号输出端（无正负极区别）4、频率显示窗
超声光栅实验仪配合分光计使用时，各部件的放置如图所示：

预习要求
1、了解超声光栅产生的原理。
2、了解声波如何对光信号进行调制。
3、通过对液体（非电解质溶液）中的声速的测定，加深对其概念的理解。
预习思考
1、实验时，声速仪的频率应调整到PZT晶片的共振频率，这样衍射条纹才会显著增多且更为明亮。在调节频率过程中，衍射条纹会有怎么样的变化？为什么会有这样的变化？
2、由驻波理论，相邻波腹间和相邻波节间的距离都等于半波长，为什么超声光栅常数等于超声波的波长？
3、本实验如何保证平行光束垂直声波的方向？
4、本实验能否用钠灯作为光源？
5、试比较超声光栅与平面光栅的异同。
注意事项
1、超声池置于载物台上必须稳定，以使超声在液槽内形成稳定的驻波，在实验过程中应避免震动。导线分布电容的变化会对输出信号频率有微小影响，因此不要用手触碰连接超声池和信号源的两条导线；
2、锆钛酸铅陶瓷片表面与对应面的玻璃槽壁表面必须平行，此时才会形成较好的表面驻波，因此实验时应将超声池的上盖盖平，而上盖与玻璃槽留有较小的空隙，实验时微微扭动一下上盖，有时也会使衍射效果有所改善；
3、一般共振频率在11.3MHz左右，WSG-I超声光栅仪给出10－12MHz可调范围。在稳定共振时，数字频率计显示的频率值应是稳定的，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，其一，声波在液体中的传播与液体温度有关，时间过长，温度可能在小范围内有变动，从而会影响测量精度。一般测量待测液体温度可同于室温，精密测量可在超声池内插入温度计测量；其二，频率计长时间处于工作状态，会对其性能有一定影响，尤其在高频条件下有可能会使电路过热而损坏。实验时，特别注意不要使频率长时间调在12MHz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，可用酒精或乙醚清洗干净，或用镜头纸擦净；
6、实验中液槽里会有一定的热量产生，并导致媒质挥发，槽壁会见挥发气体凝露，一般不影响实验结果，但须注意液面下降太多致锆钛酸铅陶瓷片外露时，应及时补充液体至正常液面线处；
7、在更换液体时必须先关闭信号源，否则压电陶瓷片会振裂。实验完毕应将超声池内被测液体倒出，不要将锆钛酸铅陶瓷片长时间浸泡在液槽内；