翁存程,林冬松

(福建師范大學(xué),福建福州 350007)

行波與駐波超聲光柵衍射的對比研究

翁存程,林冬松

(福建師范大學(xué),福建福州 350007)

理論上分析了超聲行波和駐波光柵衍射的特點。設(shè)計出了一種可觀察超聲行波和駐波光柵衍射特點的實驗裝置。理論分析和實驗結(jié)果顯示:行波情況下,會出現(xiàn)缺級現(xiàn)象;駐波情況下,不會發(fā)生缺級現(xiàn)象。

超聲光柵;聲光效應(yīng);衍射;拉曼-納斯衍射;

近年來,超聲光柵備受關(guān)注。超聲光柵是聲光相互作用的一種描述形式[1]。在20世紀20年代,法國著名的物理學(xué)家布里淵就預(yù)言,介質(zhì)中存在聲波時,光通過該介質(zhì)會發(fā)生衍射現(xiàn)象。但是,這種現(xiàn)象并沒有得到當(dāng)時研究人員的重視[2]。后來,隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,這一預(yù)言被許多實驗證實[2]。隨著激光、聲光器件、聲光材料以及CCD、PMT等測量儀器和技術(shù)的出現(xiàn),超聲光柵衍射的性質(zhì)及特點才被進一步地認識,從而為解釋超聲光柵的形成機理及理論研究奠定了基礎(chǔ)。20世紀60年代,科學(xué)家們從理論上分析了各向同性與各向異性的聲光介質(zhì)的衍射現(xiàn)象。70年代,物理學(xué)家運用耦合波方程成功地解釋了各種聲光作用。聲光相互作用的理論發(fā)展到現(xiàn)在算是比較成熟完善的,而且在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生活、科研中被廣泛地應(yīng)用。在本論文中,我們從理論上和實驗上對比研究了行波和駐波超聲光柵衍射的特點。另外,在本論文中僅僅關(guān)注聲光拉曼衍射。

1 理論分析

如圖1所示,一理想的平面超聲縱波沿著Y軸在一光透明介質(zhì)中傳播。這個理想的超聲波被夾在z=0和z=l的兩平面之間。一寬光束的激光沿著Z軸入射超聲場。θ為衍射光的衍射角。對于超聲行波來說,超聲波作用區(qū)介質(zhì)的折射率可表示為[3]:

圖1 超聲光柵衍射示意圖

其中n0為介質(zhì)的背景折射率,m為折射率調(diào)制參數(shù)且與超聲波的功率有關(guān),ω和v分別為超聲的角頻率及其在介質(zhì)中的傳播速度。

對于拉曼衍射,衍射光可寫為[3]:

其中:E0為入射光的電場強度,k、ω0和λ分別為入射光波的波矢、角頻率和波長,q是一正整數(shù),Jq指第q級貝塞爾函數(shù),δ()指脈沖函數(shù),λμ為超聲波在介質(zhì)中波長。

從式(3)可知,任一級衍射光的平均強度隨著m的值而波動且極小值為0,也就是通過改變m的值可觀察到衍射光的缺級現(xiàn)象。

對于超聲駐波來說,超聲波作用區(qū)介質(zhì)的折射率可表示為[4,5]:

對于拉曼衍射,衍射光可寫為[4-7]:

根據(jù)式(5)可知,任一級衍射光的平均強度滿足如下關(guān)系:

根據(jù)貝塞爾函數(shù)的特點,我們有:

因此,通過改變m的值不會觀察到衍射光的缺級現(xiàn)象。

2 行波和駐波超聲光柵衍射對比

對于拉曼聲光衍射,改變m的值會引起行波超聲光柵衍射發(fā)生缺級現(xiàn)象,而不會引起駐波超聲光柵衍射發(fā)生缺級現(xiàn)象。

3 實 驗

采用水為聲光介質(zhì),超聲波的頻率為1 710 kHz,超聲束的直徑為2.398 cm,鈉光燈的波長為589.3 nm。根據(jù)這些實驗參數(shù),計算得到的Q值[6]約為0.11,因此下面實驗發(fā)生的衍射必然是拉曼聲光衍射。

3.1 超聲駐波產(chǎn)生及實驗上確定

如圖2所示,CGS超聲光柵聲速儀裝置簡圖。超聲信號發(fā)生器輸出的電信號激發(fā)超聲換能器輸出超聲波信號。

圖2 CGS超聲光柵聲速儀結(jié)構(gòu)示意圖

在水槽的另一端有一可調(diào)節(jié)的反射金屬板,通過調(diào)節(jié)反射金屬板可在水中產(chǎn)生超聲駐波。普通的白熾燈的燈光通過一狹縫后照射超聲波,調(diào)節(jié)水槽另一端的反射金屬板位置,同時通過觀察窗觀察,直到觀察到如圖3所示的明暗相間的直條紋,那么在水中形成了超聲駐波。狹縫的長度約為2 cm且垂直于超聲波的傳播方向。

圖3 駐波明暗相間的直條紋圖

3.2 超聲駐波與行波光柵衍射的特點

實驗裝置如圖4所示,將CGS超聲光柵聲速儀中的水槽置(帶有超聲換能器)于分光計的載物臺上,水槽沿x軸方向尺寸為90mm,沿y軸方向為50mm,沿z軸方向為70mm。

圖4 超聲光柵衍射裝置簡圖

鈉光燈發(fā)出的光通過凸透鏡匯聚在狹縫1上,然后通過平行光管后形成平行光。平行光通過超聲光柵后被衍射,衍射光通過狹縫2后進入望遠鏡。為了僅僅從超聲場出射的衍射光才被收集,所以狹縫2被利用。狹縫2沿z軸方向的尺寸為0.5 mm,沿x軸方向的尺寸為2.10 cm。通過望遠鏡觀察拉曼聲光衍射的特點并通過數(shù)碼相機拍攝。

3.2.1 超聲行波光柵衍射的特點

在水槽另一端放置一塊吸聲材料泡沫,以便在水中形成超聲行波光柵。通過調(diào)節(jié)激發(fā)超聲換能器的電信號的有效電壓改變m的值。實驗結(jié)果如圖5:

從圖5可知,隨著電壓的增大,依次出現(xiàn)0級、±1級、±2級、±3級衍射光而且0級衍射光強逐漸減弱。當(dāng)電壓達到4.0 V時,0級衍射光消失即0級衍射光出現(xiàn)了缺級現(xiàn)象。

3.2.2 超聲駐波光柵衍射的特點

在水槽的另一端放置一可調(diào)節(jié)的反射金屬板,通過調(diào)節(jié)反射金屬板直到在水中產(chǎn)生超聲駐波。通過調(diào)節(jié)激發(fā)超聲換能器的電信號的有效電壓改變m值。實驗結(jié)果如圖6:

隨著電壓的增大,先出現(xiàn)0級衍射光,而后依次出現(xiàn)±1級、±2級、±3級衍射光,但不出現(xiàn)缺級現(xiàn)象。

圖6 超聲駐波光柵衍射像

4 結(jié) 論

先通過理論分析了超聲行波和駐波光柵的衍射特點:在行波的情形下,會出現(xiàn)缺級現(xiàn)象;而駐波情形下,不會出現(xiàn)缺級現(xiàn)象。然后,設(shè)計了一種可觀察超聲行波和駐波光柵衍射的特點的實驗裝置。實驗觀察到了超聲行波光柵的缺級現(xiàn)象,而超聲駐波光柵沒有缺級現(xiàn)象。

[1] 訾振發(fā),戴結(jié)林.超聲光柵測液體中的聲速[J],安徽教育學(xué)院師范學(xué)報,2007,25(3):28-31.

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Com parative Study of Ultrasonic Traveling and Standing W ave Grating Diffractions

WENG Cun-cheng,LIN Dong-song
(Fujian Normal University,Fujian Fuzhou 350007)

The characteristics of ultrasonic traveling and standing wave grating diffractions are analyzed theoretically.An experimental setup is designed to observe the characteristics of the ultrasonic traveling and standing wave grating diffractions.Theoretical and experiment results demonstrate:For ultrasonic travelingwave grating diffraction,there is the phenomenon ofmissing order;For ultrasonic Standing wave diffraction,there is not the phenomenon ofmissing order.

ultrasonic grating;acousto-optical effect;diffraction;Raman-Nath diffraction

0 4-33

A

10.14139/j.cnki.cn22-1228.2015.006.019

1007-2934(2015)06-0065-04

2015-05-06

福建省教育廳項目(JA15128)