实验27超声光栅衍射实验报告

实验 2 7 超声光栅衍射 实验报告 【实验目的】 1.掌握超声光栅原理 2.学会利用超声光栅测量液体中的声速 【实验仪器】 超声源，玻璃皿，激光器，光具座，会聚透镜，超声探头支架，金属白屏。 【原理概述】 1 .超声光栅 具有弹性纵向的平面超声波，在液体介质中传播时，其声压时液体分子产生疏密交叠的变化，促使液体的折射率也相应的作周期性变化。这种疏密波也是折射率梯度传播的一种模式，形成的层次结构就是超声波的图像。光从垂直方向透射过超声场后，会产生折射和衍射。这一作用，类似光栅，所以叫做超声光栅。 超声光栅原理图 2 .超声波的速度与介质的性质 超声波在介质中传播的性质，用声速和衰减度系数两个基本量来表述。超声波速度不仅与声压(p)、密度(  )、折射率(n)有关，而且还受到其他物理性质的影响，因此声速与许多重要的物理参数有关。 在正弦变化的声场中，超声波运动的速度，声压以及介质的密度和折射率的变化规律，都是类似的，都可以用波动方程表示。描述超声场中折射率周期性变化的表达式为： )cos(),(0kytnntyn (1)其中 为超声波的圆频率，k 为波矢量。 3 、超声的驻波和行波 正弦超声平面波由垂直于玻璃皿底面的方向射于液体中，则声场中的压力波会被底面反射，形成与入射波同频率的一列反射波，这两列波的声压可分别表示为： )()(kytirArkytiiAePPePPi (2)两列同频率的波相向传播时，依叠加原理，合成声场的声压为riPPP，即 )()(cos2kytirAiAtiiePPky ePP (3)由上式可见，合成声场由两部分组成，第一项代表驻波场，第二项表示在 y 方向传播的平面波，其振幅为原先两列波振幅之差。若实验中弹性的平面波得到完全反射，则式(3)右边第二项可以略去，合成的超声波就是一个纯粹的驻波场。介质密度分布和折射率的分布也与驻波场的变化相一致。声压形成的光密处为波节，光疏处为波腹。 由于光向折射率大的的方面弯曲，波节处交迭地每隔半个周期呈现一次会聚强光。实验观察到的超声场的图像，是相对的长时间的平均效应。 4 、超声衍射的观测 因光速度远大于声速，即C，光线很快的通过了超声场，而折射率周期变化所形成的“超声光栅”可以认为是不动的，即把折射率的空间固定的看成： kynnncos0 (4)这样所形成的超声光栅对光的衍射可表示为： Kksin (5)式(5)中  和 分别为超声波和入射光的波长，k...