专利名称：激光超声光栅演示实验仪的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种声光效应实验仪器，更具体的说，是一种激光超 声光栅演示实验仪。
技术背景目前，在大学物理实验中，有利用分光计和测微目镜，通过声光效应测 定液体中的声速的实验装置。该装置主要是在光路中放置一能产生波振动 的媒介，通过对透光的调制并进行一种计算，实现测量在液体中的声速。一般采用压电陶瓷片(PZT)作为振动媒介，其在高频信号源(频率约10^^ ) 所产生的的交变电场的作用下，可发生周期性的压縮和伸长振动，在液体 中的传播就形成了超声波。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縮，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 样的分布，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， 平行光就会被衍射。通过对超声波在^和〃〃2 (r为超声振动周期)两个时刻的振幅y、液体疏密分布和折射率"的变化分析，超声光栅的性质是在 某一时刻。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，即^ + "2，所有这样区域的位置整个漂移了一个距离而在其它时刻，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，但如果有光线通过
超声场时，观察驻波场的结果会是波节为暗条纹(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^2。由此得出由超声场的层次结构所形成的超声光栅性质为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 dsin①f =《义(〖=0, 1, 2，......)但实际上由于①角很小，因此可以近似地认为其中^为衍射零级光谱线至第^级光谱线的距离，f为^透镜的焦距， 所以超声波的波长因此超声波在液体中的传播速度但进行上述实验的仪器存有以下的主要缺点1. 不能看到形象的超声光栅形状。2. 只能用分光仪和测微目镜观察，视野很小，不能进行课堂演示教学。 实用新型内容本实用新型的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种方便教学的 激光超声光栅演示实验仪，既可观察到超声波在液体介质中形成的位相光 栅，又能清晰地观察到激光平行光束通过超声光栅形成的数级衍射光谱， 从而方便进行定性和定量的分析。本实用新型是通过以下的技术方案予以实现一种激光超声光栅演示实验仪，包括位置相对应的激光器和光屏，以 及安装在水槽上方的超声探头，所述激光器和光屏分别设立在光具导轨的
两端，所述水槽位于二者之间，在水槽和激光器之间还设有一个扩束镜，这四者均安装在光具导轨上并且位置可调。作为本实用新型的进一步改进，所述光具导轨上标有刻度尺。 作为本实用新型的进一步改进，所述光屏上标有刻度尺。 作为本实用新型的进一步改进，所述超声探头有两只，通过转轴支架相连，可轮流切换转至水槽的正上方。采用二通道的专用大功率高频信号发生器，分别作用在这两个共振频率不同的超声探头上，将产生不同频率的两种超声波，因此，可以得到二种不同的演示效果。l.声场光栅的获得声场光栅就是超声波波阵面轮廓成像。由于光波波阵面变成褶铍波阵 面，通光的能力随褶皱波阵面产生周期性的变化，其图形是明暗相间等间 距的分布条纹，是超声波对光振幅调制的结果，演示结果见图7。其光路 图如图5所示，其中超声波的频率选择在80(^他左右。根据实验原理分析 所知，该条纹的间距，就是超声波波长。同样从驻波形成的公式来分析，当 2时，入射波与反射波形成驻波，如果D为确定值时，可以调节信号源在声光介质中形成不同频率的驻波振动，A的大小与"值有关。所 以实验中可以通过改变信号发生器输出频率，观察到多次形成条纹成像， 而且条纹的间距宽度也跟着发生改变。利用该现象还可以测量在介质中的声速。如果相邻两条纹之间的距离 为《，可以利用相似三角形的原理得到A:<formula>formula see original document page 6</formula>如果y为超声波的频率，从而可以得到液体中声速为<formula>formula see original document page 6</formula>2、超声光栅衍射在上述实验的基础上，把超声波的频率提高到10^^左右，其光路图如 图6所示，可观察到如图8的衍射图象(拉曼一乃斯衍射)。由于角度M艮 小，实验中如能测量出屏与水槽之间的距离&，以及0级到《级条纹的间距r，由公式得:<formula>formula see original document page 6</formula>因为当角度M艮小的时候，可以近似地利用<formula>formula see original document page 6</formula>得出:<formula>formula see original document page 6</formula>如果知道声波频率y，则可获得液体中声速为与现有技术相比，本实用新型的有以下优点1. 实验中不需使用分光计，成本低，操作方便。2. 计算测量简单精确，误差小。3. 演示直观，方便课堂教学。
图1为本实用新型激光超声光栅演示实验仪的结构示意图,图2为图1的左视图。 图3为图1的右视图。
图4为图1的俯视图。图5为声场光栅图像的光路图。图6为超声光栅衍射图像的光路图。图7为声场光栅图像。图8为激光束通过超声光栅产生的衍射图像。图中1光具导轨、2底座及调节螺杆、3激光器、4扩束镜、5超声 探头I、 6水槽、7光屏、8超声探头n。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步详细的描述 结合图l、图2、图3和图4中所示，本实用新型的激光超声光栅演示 实验仪，包括位置相对应的激光器3和光屏7，以及安装在水槽6上方的 两只超声探头I5和超声探头I18，两只超声探头通过转轴支架相连，可轮 流切换转至水槽6的正上方进行工作；水槽6为玻璃容器，盛有水液体， 超声探头微微浸入水液体的上表面几毫米深处，并且探头的表面平行于玻 璃容器水槽6的底部；激光器3和光屏7分别设立在光具导轨1的两端， 水槽6位于二者之间，在水槽6和激光器3之间还设有一个扩束镜4，这 四者均安装在光具导轨1上，并且通过调节旋钮，可以进行高度位置和前 后左右位置的调节；光具导轨1和光屏7的上面均标有刻度尺，便于直观 测量。作声场光栅实验时，采用共振频率为800KHz左右的超声探头，需要用 扩束镜4把激光束扩束后，照射到形成驻波链的水域。扩束镜4是焦距 / = 2(^^的凸透镜，使入射平行激光束成为扩束光；其与玻璃容器水槽6 的中心距离定为1 0^"左右，玻璃容器水槽6的中心与光屏7之间的距离 为S00mw。打开激光器3，根据激光束进行仔细调节，使这三者同轴并处于 同一条水平线上，同时要适当控制室内光线明暗程度。接着打开超声波发 生器，然后仔细观察水槽6，这时可以看到在超声探头作用下的水波涟。通过调节振幅及频率，观察如图7中所示的明暗相间的光栅图案，直到屏幕上的光栅投影图案最为清晰。条纹"的测量如图7所示，根据成像与光屏上的对应刻度，可以直接一 s读出条纹间距，然后利用公式"=^来计算，其中w是条纹数，s是w级条纹的间隔长度。实验中也可测出光屏上各条纹的位置""，用逐差法求出 "的平均值。s， ^可以直接从光具座上读取，然后用公式求出声速。改变扩束镜4到光屏7的位置，再次测量屏上的条纹的间隔长度"，即可利用公式测量 出液体中的声速，并测量出水的温度"按照声波在水中传播速度的经验公式加以修正，便得出声速的理论值K = 1557 - 0.0245 x (74 - f)2 w "求出速度之理论值与实验值对比，求出相对误差。 当需要观察超声光栅衍射图像时，把扩束镜4去掉，改用共振频率为 10腿z左右的超声探头，由于形成的超声光栅其光栅常数小的多，因此将 一束平行激光束照射到水槽6上，即垂直照射到超声光栅上，就会看到衍 射图像。仔细调节探头位置和信号源输出频率，使形成的光栅常数大大变 小，激光光束照射到这一光栅上，将产生衍射，从而可以观察到如图8所 示的正、负三到四级清晰的衍射图像。最后，还要注意的是，以上列举的仅是本实用新型的一个具体实施 例。显然，本实用新型还可以有许多变形，本领域的普通技术人员能从本 实用新型公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本实用新 型的保护范围。
权利要求1. 一种激光超声光栅演示实验仪，包括位置相对应的激光器(3)和光屏(7)，以及安装在水槽(6)上方的超声探头，其特征在于，所述激光器(3)和光屏(7)分别设立在光具导轨(1)的两端，所述水槽(6)位于二者之间，在水槽(6)和激光器(3)之间还设有一个扩束镜(4)，这四者均安装在光具导轨(1)上并且位置可调。
2. 根据权利要1所述的激光超声光栅演示实验仪，其特征在于，所述光具导 轨(1)上标有刻度尺。
3. 根据权利要1所述的激光超声光栅演示实验仪，其特征在于，所述光屏(7) 上标有刻度尺。
4. 根据权利要1所述的激光超声光栅演示实验仪，其特征在于，所述超声探 头有两只，通过转轴支架相连，可轮流切换转至水槽(6)的正上方。
专利摘要本实用新型涉及一种声光效应实验仪器，旨在提供一种激光超声光栅演示实验仪。该实验仪包括位置相对应的激光器和光屏，以及安装在水槽上方的超声探头，激光器和光屏分别设立在光具导轨的两端，水槽位于二者之间，在水槽和激光器之间还设有一个扩束镜，这四者均安装在光具导轨上并且位置可调。本实用新型的激光超声光栅演示实验仪具有成本低，计算测量简单精确，演示直观便于课堂教学的特点。
文档编号G09B23/06GK201215692SQ20082008822
公开日2009年4月1日 申请日期2008年6月10日 优先权日2008年6月10日
发明者乐培界, 斯公寿, 谢文明 申请人:乐培界