專利名稱：激光超聲光柵演示實驗儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種聲光效應(yīng)實驗儀器，更具體的說，是一種激光超 聲光柵演示實驗儀。
技術(shù)背景目前，在大學(xué)物理實驗中，有利用分光計和測微目鏡，通過聲光效應(yīng)測 定液體中的聲速的實驗裝置。該裝置主要是在光路中放置一能產(chǎn)生波振動 的媒介，通過對透光的調(diào)制并進行一種計算，實現(xiàn)測量在液體中的聲速。一般采用壓電陶瓷片(PZT)作為振動媒介，其在高頻信號源(頻率約10^^ ) 所產(chǎn)生的的交變電場的作用下，可發(fā)生周期性的壓縮和伸長振動，在液體 中的傳播就形成了超聲波。當一束平面超聲波在液體中傳播時，其聲壓使 液體分子作周期性變化，液體的局部就會產(chǎn)生周期性的膨脹與壓縮，這使 得液體的密度在波傳播方向上形成周期性分布，促使液體的折射率也做同 樣的分布，形成了所謂疏密波。這種疏密波所形成的密度分布層次結(jié)構(gòu)， 就是超聲場的圖象，此時若有平行光沿垂直于超聲波傳播方向通過液體時， 平行光就會被衍射。通過對超聲波在^和〃〃2 (r為超聲振動周期)兩個時刻的振幅y、液體疏密分布和折射率"的變化分析，超聲光柵的性質(zhì)是在 某一時刻。相鄰兩個密集區(qū)域的距離為、為液體中傳播的行波的波長； 而在半個周期以后，即^ + "2，所有這樣區(qū)域的位置整個漂移了一個距離而在其它時刻，波的現(xiàn)象則完全消失，液體的密度處于均勻狀態(tài)。 超聲場形成的層次結(jié)構(gòu)消失，在視覺上是觀察不到的，但如果有光線通過
超聲場時，觀察駐波場的結(jié)果會是波節(jié)為暗條紋(不透光)，波腹為亮條紋(透光)。明暗條紋的間距為聲波波長的一半，即為^2。由此得出由超聲場的層次結(jié)構(gòu)所形成的超聲光柵性質(zhì)為當平行光通過超聲光柵時，光線衍射的主極大(？)位置由光柵方程決定 dsin①f =《義(〖=0, 1, 2，......)但實際上由于①角很小，因此可以近似地認為其中^為衍射零級光譜線至第^級光譜線的距離，f為^透鏡的焦距， 所以超聲波的波長因此超聲波在液體中的傳播速度但進行上述實驗的儀器存有以下的主要缺點1. 不能看到形象的超聲光柵形狀。2. 只能用分光儀和測微目鏡觀察，視野很小，不能進行課堂演示教學(xué)。 實用新型內(nèi)容本實用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種方便教學(xué)的 激光超聲光柵演示實驗儀，既可觀察到超聲波在液體介質(zhì)中形成的位相光 柵，又能清晰地觀察到激光平行光束通過超聲光柵形成的數(shù)級衍射光譜， 從而方便進行定性和定量的分析。本實用新型是通過以下的技術(shù)方案予以實現(xiàn)一種激光超聲光柵演示實驗儀，包括位置相對應(yīng)的激光器和光屏，以 及安裝在水槽上方的超聲探頭，所述激光器和光屏分別設(shè)立在光具導(dǎo)軌的
兩端，所述水槽位于二者之間，在水槽和激光器之間還設(shè)有一個擴束鏡，這四者均安裝在光具導(dǎo)軌上并且位置可調(diào)。作為本實用新型的進一步改進，所述光具導(dǎo)軌上標有刻度尺。 作為本實用新型的進一步改進，所述光屏上標有刻度尺。 作為本實用新型的進一步改進，所述超聲探頭有兩只，通過轉(zhuǎn)軸支架相連，可輪流切換轉(zhuǎn)至水槽的正上方。采用二通道的專用大功率高頻信號發(fā)生器，分別作用在這兩個共振頻率不同的超聲探頭上，將產(chǎn)生不同頻率的兩種超聲波，因此，可以得到二種不同的演示效果。l.聲場光柵的獲得聲場光柵就是超聲波波陣面輪廓成像。由于光波波陣面變成褶鈹波陣 面，通光的能力隨褶皺波陣面產(chǎn)生周期性的變化，其圖形是明暗相間等間 距的分布條紋，是超聲波對光振幅調(diào)制的結(jié)果，演示結(jié)果見圖7。其光路 圖如圖5所示，其中超聲波的頻率選擇在80(^他左右。根據(jù)實驗原理分析 所知，該條紋的間距，就是超聲波波長。同樣從駐波形成的公式來分析，當 2時，入射波與反射波形成駐波，如果D為確定值時，可以調(diào)節(jié)信號源在聲光介質(zhì)中形成不同頻率的駐波振動，A的大小與"值有關(guān)。所 以實驗中可以通過改變信號發(fā)生器輸出頻率，觀察到多次形成條紋成像， 而且條紋的間距寬度也跟著發(fā)生改變。利用該現(xiàn)象還可以測量在介質(zhì)中的聲速。如果相鄰兩條紋之間的距離 為《，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為超聲波的頻率，從而可以得到液體中聲速為<formula>formula see original document page 6</formula>2、超聲光柵衍射在上述實驗的基礎(chǔ)上，把超聲波的頻率提高到10^^左右，其光路圖如 圖6所示，可觀察到如圖8的衍射圖象(拉曼一乃斯衍射)。由于角度M艮 小，實驗中如能測量出屏與水槽之間的距離&，以及0級到《級條紋的間距r，由公式得:<formula>formula see original document page 6</formula>因為當角度M艮小的時候，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>如果知道聲波頻率y，則可獲得液體中聲速為與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型的有以下優(yōu)點1. 實驗中不需使用分光計，成本低，操作方便。2. 計算測量簡單精確，誤差小。3. 演示直觀，方便課堂教學(xué)。

圖1為本實用新型激光超聲光柵演示實驗儀的結(jié)構(gòu)示意圖,圖2為圖1的左視圖。 圖3為圖1的右視圖。
圖4為圖1的俯視圖。圖5為聲場光柵圖像的光路圖。圖6為超聲光柵衍射圖像的光路圖。圖7為聲場光柵圖像。圖8為激光束通過超聲光柵產(chǎn)生的衍射圖像。圖中1光具導(dǎo)軌、2底座及調(diào)節(jié)螺桿、3激光器、4擴束鏡、5超聲 探頭I、 6水槽、7光屏、8超聲探頭n。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖和具體實施例對本實用新型作進一步詳細的描述 結(jié)合圖l、圖2、圖3和圖4中所示，本實用新型的激光超聲光柵演示 實驗儀，包括位置相對應(yīng)的激光器3和光屏7，以及安裝在水槽6上方的 兩只超聲探頭I5和超聲探頭I18，兩只超聲探頭通過轉(zhuǎn)軸支架相連，可輪 流切換轉(zhuǎn)至水槽6的正上方進行工作；水槽6為玻璃容器，盛有水液體， 超聲探頭微微浸入水液體的上表面幾毫米深處，并且探頭的表面平行于玻 璃容器水槽6的底部；激光器3和光屏7分別設(shè)立在光具導(dǎo)軌1的兩端， 水槽6位于二者之間，在水槽6和激光器3之間還設(shè)有一個擴束鏡4，這 四者均安裝在光具導(dǎo)軌1上，并且通過調(diào)節(jié)旋鈕，可以進行高度位置和前 后左右位置的調(diào)節(jié)；光具導(dǎo)軌1和光屏7的上面均標有刻度尺，便于直觀 測量。作聲場光柵實驗時，采用共振頻率為800KHz左右的超聲探頭，需要用 擴束鏡4把激光束擴束后，照射到形成駐波鏈的水域。擴束鏡4是焦距 / = 2(^^的凸透鏡，使入射平行激光束成為擴束光；其與玻璃容器水槽6 的中心距離定為1 0^"左右，玻璃容器水槽6的中心與光屏7之間的距離 為S00mw。打開激光器3，根據(jù)激光束進行仔細調(diào)節(jié)，使這三者同軸并處于 同一條水平線上，同時要適當控制室內(nèi)光線明暗程度。接著打開超聲波發(fā) 生器，然后仔細觀察水槽6，這時可以看到在超聲探頭作用下的水波漣。通過調(diào)節(jié)振幅及頻率，觀察如圖7中所示的明暗相間的光柵圖案，直到屏幕上的光柵投影圖案最為清晰。條紋"的測量如圖7所示，根據(jù)成像與光屏上的對應(yīng)刻度，可以直接一 s讀出條紋間距，然后利用公式"=^來計算，其中w是條紋數(shù)，s是w級條紋的間隔長度。實驗中也可測出光屏上各條紋的位置""，用逐差法求出 "的平均值。s， ^可以直接從光具座上讀取，然后用公式求出聲速。改變擴束鏡4到光屏7的位置，再次測量屏上的條紋的間隔長度"，即可利用公式測量 出液體中的聲速，并測量出水的溫度"按照聲波在水中傳播速度的經(jīng)驗公式加以修正，便得出聲速的理論值K = 1557 - 0.0245 x (74 - f)2 w "求出速度之理論值與實驗值對比，求出相對誤差。 當需要觀察超聲光柵衍射圖像時，把擴束鏡4去掉，改用共振頻率為 10腿z左右的超聲探頭，由于形成的超聲光柵其光柵常數(shù)小的多，因此將 一束平行激光束照射到水槽6上，即垂直照射到超聲光柵上，就會看到衍 射圖像。仔細調(diào)節(jié)探頭位置和信號源輸出頻率，使形成的光柵常數(shù)大大變 小，激光光束照射到這一光柵上，將產(chǎn)生衍射，從而可以觀察到如圖8所 示的正、負三到四級清晰的衍射圖像。最后，還要注意的是，以上列舉的僅是本實用新型的一個具體實施 例。顯然，本實用新型還可以有許多變形，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能從本 實用新型公開的內(nèi)容直接導(dǎo)出或聯(lián)想到的所有變形，均應(yīng)認為是本實用新 型的保護范圍。
權(quán)利要求1. 一種激光超聲光柵演示實驗儀，包括位置相對應(yīng)的激光器(3)和光屏(7)，以及安裝在水槽(6)上方的超聲探頭，其特征在于，所述激光器(3)和光屏(7)分別設(shè)立在光具導(dǎo)軌(1)的兩端，所述水槽(6)位于二者之間，在水槽(6)和激光器(3)之間還設(shè)有一個擴束鏡(4)，這四者均安裝在光具導(dǎo)軌(1)上并且位置可調(diào)。
2. 根據(jù)權(quán)利要1所述的激光超聲光柵演示實驗儀，其特征在于，所述光具導(dǎo) 軌(1)上標有刻度尺。
3. 根據(jù)權(quán)利要1所述的激光超聲光柵演示實驗儀，其特征在于，所述光屏(7) 上標有刻度尺。
4. 根據(jù)權(quán)利要1所述的激光超聲光柵演示實驗儀，其特征在于，所述超聲探 頭有兩只，通過轉(zhuǎn)軸支架相連，可輪流切換轉(zhuǎn)至水槽(6)的正上方。
專利摘要本實用新型涉及一種聲光效應(yīng)實驗儀器，旨在提供一種激光超聲光柵演示實驗儀。該實驗儀包括位置相對應(yīng)的激光器和光屏，以及安裝在水槽上方的超聲探頭，激光器和光屏分別設(shè)立在光具導(dǎo)軌的兩端，水槽位于二者之間，在水槽和激光器之間還設(shè)有一個擴束鏡，這四者均安裝在光具導(dǎo)軌上并且位置可調(diào)。本實用新型的激光超聲光柵演示實驗儀具有成本低，計算測量簡單精確，演示直觀便于課堂教學(xué)的特點。
文檔編號G09B23/06GK201215692SQ20082008822
公開日2009年4月1日 申請日期2008年6月10日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月10日
發(fā)明者樂培界, 斯公壽, 謝文明 申請人:樂培界