实验十四 超声光栅仪
超声光栅
超声光栅
制作： 制作：林伟华
一.声光效应介绍 二.实验仪器 三.实验原理 四.实验内容 五.注意事项 六.思考题
一.声光效应介绍 声光效应介绍
当超声波在介质中传播时, 当超声波在介质中传播时,超声波使介质产生周期 性变化的弹性应力或应变, 性变化的弹性应力或应变,导致介质密度的空间分 布出现疏密相间的周期性变化， 布出现疏密相间的周期性变化，从而导致介质的 折射率相应变化。光束通过这种介质, 折射率相应变化。光束通过这种介质,就好像通过 光栅一样,会产生衍射现象。这种现象称为超声致 光栅一样,会产生衍射现象。这种现象称为超声致 光衍射（亦称声光效应）。 ）。这种载有超声的透明 光衍射（亦称声光效应）。这种载有超声的透明 超声光栅。 介质称为超声光栅 介质称为超声光栅。
六.思考题
1.实验时可以发现，当超声频率升高时， 1.实验时可以发现，当超声频率升高时，衍射条 实验时可以发现 纹间距加大，反之则减小，这是为什么？ 纹间距加大，反之则减小，这是为什么？ 2.超声光栅与平面衍射光栅有何异同？ 2.超声光栅与平面衍射光栅有何异同？ 超声光栅与平面衍射光栅有何异同
声光衍射可分为两类： 声光衍射可分为两类：
1. 当 L<<Λ2/(2πλ0) 时 , 式中L 为声束宽度， Λ 为声波在介 L<<Λ /(2 式中 L 为声束宽度 ， 质中的波长， 为真空中的光波波长， 质中的波长 ， λ0 为真空中的光波波长 ， 就会产生对称与零 级的多级衍射， 拉曼-奈斯（Raman-Nath）衍射。 级的多级衍射 ， 即 拉曼 - 奈斯 （ Raman-Nath ） 衍射 。 此时和 平面光栅的衍射几乎没有区别， 平面光栅的衍射几乎没有区别，满足下式的衍射光均在衍射 的方向上产生极大光强: 角φ的方向上产生极大光强: sinφ=mλ0/Λ ，m=0,±1,±2 ... sinφ=mλ m=0 L>>Λ /(2 声光介质相当于一个体光栅， 2.当L>>Λ2/(2πλ0)时 ,声光介质相当于一个体光栅， 产生 布拉格(Bragg)衍射， (Bragg)衍射 布拉格 (Bragg) 衍射 ， 其衍射光强只集中在满足布拉格公式 sinφ =mλ /(2 m=0 （ sinφB=mλ0/(2Λ) ， m=0,±1, ±2 ... ） 的一级衍射 方向， 级不同时存在。 方向，且±1 级不同时存在。
超声光栅实验报告
超声光栅实验报告一、实验背景介绍超声光栅是由光学叠加和声学叠加两个物理效应综合而成的一种光学装置。
其基本原理是在光路中设置超声波振动源和光栅，利用超声波的自然调制能力从而实现了光场的调制。
在超声光栅中，麦克风将声信号通过调制速度变化并传递至声光晶体上，从而形成了光学调制。
超声光栅的主要应用包括回波测距、声光调制、光学滤波等。
本实验主要是探究超声光栅的基本原理和应用，结合实验过程和结果，对超声光栅撰写一份实验报告。
超声光栅具有声光调制的基本原理，即在光学信号的传输过程中通过外加声波的调制，从而实现光场的调制。
超声光栅主要由声光晶体、激光器、检光器、超声波振动源和信号处理部分组成。
1.声光晶体声光晶体是指通过特定的光折射介质，使光波与机械振动的耦合相互作用，并且产生相应的全息衍射现象。
声光晶体不仅可以将光学信息转化为声学信息，还可以将声学信息转化为光学信息。
2.超声波振动源超声波振动源主要是利用压电板能够在电力作用下产生振动的特性，通过外加电压来实现振动的控制。
一般采用的超声波源为50kHz左右的振动频率，通过改变频率和振幅来改变其调制光学信号的能力。
3.信号处理部分信号处理部分主要是利用检光器进行光信号的检测与处理，并且可以将检测到的反馈信号通过数字化等处理，从而对声光晶体的特性进行更加准确的控制和调节。
三、实验器材与步骤1.实验器材（1）激光器（4）振荡器（6）频率计（7）可变电压源（8）数字存储示波器2.实验步骤（1）将激光器和声光晶体结合起来，并且在光路中设置超声波振动源。
（2）调整超声波源的频率，使其与声光晶体产生谐振现象，并且获得最佳光学调制效果。
（3）串联检光器，利用数字示波器来检测光学信号的强度变化，并且通过改变声光晶体的特性对其进行控制。
（4）采用可变电压源对声光晶体进行调制，从而获得不同调制频率和幅度的超声光栅。
四、实验结果与分析在本次实验中，我们采用了调制频率为50kHz和声光晶体宽度为0.75cm的超声光栅，通过数字示波器得到了如下的调制图像。
超声光栅实验报告
超声光栅实验报告超声光栅实验报告引言：超声光栅是一种利用超声波与光波相互作用的技术，它可以实现高分辨率的光学成像。
本实验旨在研究超声光栅的原理、工作方式以及其在实际应用中的潜力。
一、超声光栅的原理超声光栅的原理基于声光效应和光栅效应的结合。
声光效应是指声波与光波之间的相互作用，当声波通过介质时，会引起介质中的折射率变化，从而改变光波的传播特性。
而光栅效应是指光波通过具有周期性折射率变化的介质时，会发生衍射现象，从而形成光栅图样。
超声光栅利用这两种效应的相互作用，实现了对光波的调制和控制。
二、超声光栅的工作方式超声光栅一般由超声发射器、介质和光探测器组成。
超声发射器产生超声波，将其传播到介质中。
介质中的声波通过声光效应改变了介质的折射率，从而形成了一个具有周期性折射率变化的光栅。
当入射光波通过光栅时，会发生衍射现象，形成衍射光栅图样。
光探测器可以检测到衍射光栅的强度分布，并将其转化为电信号输出。
三、超声光栅的应用超声光栅在许多领域都有广泛的应用。
其中，最常见的应用是在光通信领域。
超声光栅可以用来实现光信号的调制和解调，从而提高光纤通信的传输速率和容量。
此外，超声光栅还可以应用于光学成像和光谱分析等领域。
通过调整超声波的频率和强度，可以实现对光波的调制和控制，从而获得高分辨率的光学成像结果。
四、超声光栅的优势与挑战超声光栅相比传统的光学技术具有许多优势。
首先，超声光栅可以实现对光波的高度可控性，可以调整超声波的频率和强度，从而实现对光波的高精度调制和控制。
其次，超声光栅具有高分辨率和高灵敏度的特点，可以实现对微小变化的检测和测量。
然而，超声光栅的应用还面临一些挑战。
例如，超声光栅的制备和调试过程较为复杂，需要较高的技术要求和设备支持。
此外，超声光栅在实际应用中还需要进一步解决光损耗、杂散光等问题。
结论：超声光栅作为一种新兴的光学技术，具有广阔的应用前景。
通过对超声光栅的原理、工作方式和应用进行研究，我们可以更好地理解超声光栅的特点和优势，并为其在实际应用中的进一步发展提供参考。
超声光栅实验
仪器使用说明TEACHER'S GUIDEBOOKFD-UG-A超声光栅实验仪中国.上海复旦天欣科教仪器有限公司Shanghai Fudan Tianxin Scientific_Education Instruments Co.,Ltd.FD-UG-A超声光栅实验仪使用说明一、概述光波在液体介质中传播时被超声波衍射的现象，称为超声致光衍射（亦称声光效应），这种现象是光波与介质中声波相互作用的结果。
超声波调制了液体的密度，使原来均匀透明的液体，变成折射率周期变化的“超声光栅”，当光束穿过时，就会产生衍射现象，由此可以准确测量声波在液体中的传播速度。
并且，由于激光技术和超声技术的发展，使声光效应得到了广泛的应用。
如制成声光调制器和偏转器，可以快速而有效地控制激光束的频率、强度和方向，它在激光技术、光信号处理和集成通讯技术等方面有着非常重要的应用。
由上海复旦天欣科教仪器有限公司生产的FD-UG-A型超声光栅实验仪改变了以往超声光栅在分光仪上完成的传统，将平行光管和望远镜中的各个光学元件独立的放置在光学导轨上，让学生自主调节，这样增加了学生动手能力方面的锻炼，并且将可调狭缝改为光刻狭缝，这样观察到的衍射光谱更加锐细明亮，测量更加准确。
该仪器测量准确度高，实验稳定可靠，适用于高等院校基础物理实验以及近代物理实验。
二、仪器简介图1 超声光栅仪器装置三、技术指标1．超声信号源共振频率约10.000MHz左右，分辨率0.001MHz2．光刻狭缝缝宽：0.04mm，缝长：6mm3．透镜通光孔径： 28mm，透镜焦距：157mm4．超声池长度：80mm，宽度：40mm，高度：59mm5．测微目镜测量范围：0－8mm，分辨率：0.01mm6．光学导轨长度：650mm，长度测量分辨率：1mm四、实验项目1．了解声光效应的实验原理。
2．学习利用声光效应测量液体中的声速。
3．学习光路准直的调节以及读数显微镜的使用方法五、注意事项1. 液槽置于载物台上必须稳定，在实验过程中应避免震动，以使超声在液槽内形成稳定的驻波。
超声光栅实验
20℃时，水（H2O）中标准声速vS=1480.0m/s
V t V 0(tt0)= 1480＋2.5×（13.7－20）
＝1464 m/s
E V t V 1 0 0 % 1 4 6 4 1 4 3 7 1 0 0 % 1 .8 %
V t
1 4 6 4
注意事项
1.调节个器件时，注意保持其同高共轴同轴等高的 调节，以凸透镜1光轴为主光轴；
10．微调超声光栅仪上的调频旋钮，使信号源频率 与压电陶瓷片谐振频率相同，此时，衍射光谱的级次会 显著增多且谱线更为明亮。微转液槽，使射于液槽的平 行光束垂直于液槽，同时观察视场内的衍射光谱亮度及 对称性。重复上述操作，直到从目镜中观察到清晰而对 称稳定的2–4级衍射条纹为止（使衍射的谱线出现间距 最大，且最清晰的状态）记录此时的信号源频率。
数据处理要求
注意事项
思考题
实验简介
1922年布里渊（L·Brillouin）曾预言，当高频声波 在液体在传播时，如果有可见光通过该液体，可见光 将产生衍射效应。这一预言在10年后被验证，这一现 象被称作声光效应。
1935年，拉曼（Raman）和奈斯（Nath）对这一 效应进行研究发现，在一定条件下，声光效应的衍射 光强分布类似于普通的光栅，所以也称为液体中的超 声光栅。
极化并形成晶体表面电荷的现象称为压电效应。当机械应力
由压应力变成拉应力时，电荷符号也改变。
•
电致伸缩效应：与压电效应相反，将具有压电效应的电
介质晶体置于电场中，电场的作用引起电介质内部正负电荷
中心产生相对位移，而这一位移又导致介质晶体发生形变，
晶体的这种由外加电场产生形变的现象称为逆压电效应也叫
电致伸缩效应。晶体形变的大小与外加电场强度成正比，当
超声光栅实验报告
超声光栅实验报告引言超声光栅技术是一种利用超声波和光学原理相结合的测量技术，它可以通过探测声波在材料中传播的变化来获取材料的信息。
本实验旨在通过搭建超声光栅实验装置，研究超声波传播的特性，并检测不同材料的声速。
实验装置实验装置主要由超声波发射器、超声波接收器、光栅、透镜、光电检测器等组成。
超声波发射器用于产生超声波信号，超声波接收器用于接收声波信号并将其转换为电信号。
光栅则用于通过光学方法来检测超声波的传播情况，透镜用于聚焦光栅接收到的光信号，光电检测器用于将光信号转换为电信号。
实验步骤1.搭建实验装置：将超声波发射器和接收器固定在合适位置，并将光栅、透镜和光电检测器依次安装在相应位置。
2.调试超声波发射器和接收器：通过调节超声波发射器和接收器的位置和参数，确保二者之间的传播路径畅通无阻，并能够正常地发送和接收超声波信号。
3.发射超声波信号：通过超声波发射器产生超声波信号，并将信号通过光栅进行传播。
观察并记录光栅上的干涉条纹情况。
4.接收光信号：使用透镜将光栅上的光信号聚焦在光电检测器上，并将光信号转换为电信号。
5.分析数据：利用电信号的特性，通过计算和比较不同材料中超声波的传播时间，得到不同材料的声速。
实验结果通过实验我们得到了不同材料的声速数据，并进行了统计和分析。
材料声速 (m/s)空气343水1480铝6320材料声速 (m/s)钢5960结果分析根据上述数据，我们可以看出不同材料的声速差异很大。
空气的声速最低，而钢的声速最高。
这是因为声速与材料的密度和弹性模量有关。
空气的密度和弹性模量都很低，所以声速也较低。
相比之下，水、铝和钢的密度和弹性模量都较高，因此它们的声速也较高。
实验误差在实验过程中，可能会遇到一些误差，导致实验结果与理论值有所偏差。
可能的误差来源包括仪器误差、操作误差和环境影响等。
为了减小误差，我们应该精确地测量实验数据，并对数据进行合理处理和分析。
实验改进为了进一步提高实验的准确性和可靠性，我们可以进行以下改进措施： 1. 提高仪器的精确度：选择高精度的超声波发射器、接收器和光电检测器，以减小仪器误差。
超声光栅实验及数据处理
超声光栅实验1．了解超声致光衍射的原理。
2．利用声光效应测量声波在液体中的传播速度。
【实验原理】光波在液体介质中传播时被超声波衍射的现象，称为超声致光衍射（亦称声光效应），这种现象是光波与介质中声波相互作用的结果。
超声波调制了液体的密度，使原来均匀透明的液体，变成折射率周期变化的“超声光栅”，当光束穿过时，就会产生衍射现象，由此可以准确测量声波在液体中的传播速度。
并且，由于激光技术和超声技术的发展，使声光效应得到了广泛的应用。
如制成声光调制器和偏转器，可以快速而有效地控制激光束的频率、强度和方向，它在激光技术、光信号处理和集成通讯技术等方面有着非常重要的应用。
压电陶瓷片（PZT）在高频信号源（频率约10MHz）所产生的的交变电场的作用下，发生周期性的压缩和伸长振动，其在液体中的传播就形成超声波，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缩，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，平行光会被衍射。
以上超声场在液体中形成的密度分布层次结构是以行波运动的，为了使实验条件易实现，衍射现象易于稳定观察，实验中是在有限尺寸液槽内形成稳定驻波条件下进行观察，由于驻波振幅可以达到行波振幅的两倍，这样就加剧了液体疏密变化的程度。
驻波形成以后，某一时刻t，驻波某一节点两边的质点涌向该节点，使该节点附近成为质点密集区，在半个周期以后，t+T/2，这个节点两边的质点又向左右扩散，使该波节附近成为质点稀疏区，而相邻的两波节附近成为质点密集区。
图1 为在t和t+T/2（T为超声振动周期）两时刻振幅y、液体疏密分布和折射率n的变化分析。
由图1可见，超声光栅的性质是，在某一时刻t，相邻两个密集区域的距离为λ，为液体中传播的行波的波长，而在半个周期以后，t+T/2。
超声光栅实验原理
超声光栅实验原理
超声光栅实验原理：
①声光效应当超声波在液体中传播时会形成一系列等间距平面波前使液体折射率呈现出周期性变化；
②光束入射将单色激光束垂直或倾斜入射到上述含有超声波的液体池中由于声光相互作用而发生衍射现象；
③衍射级次根据布拉格条件只有那些满足2nλ=2dSinθ的衍射角才能获得增强其余方向光强则大大减弱；
④衍射效率随着超声强度增大衍射角附近光强逐渐增强直到某个饱和值其余方向光则被极大抑制；
⑤波长选择通过改变超声频率可以连续调节衍射角从而实现对光波长的选择性滤波适用于光谱分析；
⑥强度调制若保持频率不变仅改变超声强度则可控制衍射效率实现对光强连续调制适用于通信显示；
⑦相位调控由于声光相互作用还会引起相位延迟效应因此可用于激光相位共轭光学信息处理等领域；
⑧温度影响实际应用中需注意温度变化会导致声速折射率波动进而影响调制性能需采取恒温措施补偿；
⑨压电驱动为产生稳定可控超声波通常采用压电换能器作为声源其特点是响应速度快频率范围广；
⑩集成优化近年来随着微机电系统技术发展出现了将声光池换能器驱动电路集成在同一芯片上的产品；
⑪多功能化除了基本调制功能外现代超声光栅还兼具偏振旋转模式转换等附加功能拓宽应用范围；
⑫发展趋势展望未来超声光栅将朝着小型化宽带化智能化方向发展以适应更多新兴领域需求。
大学物理实验报告系列之超声光栅
【实验名称】超声光栅【实验目的】1．理解声光调制的理论；2．了解并学习超声光栅声速仪的原理和使用；3. 利用超声光栅声速仪测量超声波在水中的传播速度。
【实验仪器】WSG—1型超声光栅声速仪（信号源、液体槽、锆钛酸铝陶瓷片），分光计，测微目镜，低压汞灯【实验原理】超声波作为一种纵波在液体中传播时，其声压使液体分子产生周期性的变化，促使液体的折射率也相应地作周期性的变化，形成疏密波。
此时，如有平行单色光垂直于超声波传播方向通过这疏密相同的液体时，就会被衍射，这一作用，类似光栅，所以称为超声衍射。
其中kL为衍射光谱零级至K级的距离；f为透镜（L2）的焦距（JJY分光计170f mm=）。
所以超声波波长：s i nk k kK K f fAL Lλλλφ===∆超声波在液体中的传播速度：kfv ALλγγ==∆式中γ为振荡器和锆钛酸铅陶瓷片的共振频率。
kL∆为相邻两条同色衍射条纹之间的距离。
测微目镜原理图2【实验内容】（1）、分光计的调整，用自准直法使望远镜聚焦于无穷远，望远镜的光轴与分光计的转轴中心垂直，平行光管与望远镜同轴并出射平行光，调节望远镜使观察到的狭缝清晰；（2）、将待测液体注入超声池，液面高度以液体槽侧面的液体高度刻线为准； （3）、将超声池放置于分光计的载物台上，使超声池两侧表面基本垂直于望远镜和平行光管的光轴；（4）、两支高频连接线的一端插入超声池盖板接线柱，另一端接入超声信号源的高频输出端，然后将液体槽盖板盖在液体槽上； （5）、开启超声信号源电源，从阿贝目镜观察衍射条纹，细微调节电振荡频率与锆钛酸铅陶瓷片固有频率共振，此时，衍射光谱的级次会显著增多且更为明亮，仔细调节，可观察到左右各3－4级以上的衍射光谱；（6）、取下阿贝目镜，换上测微目镜，调焦目镜，使清晰观察到的衍射条纹。
利用测微目镜逐级测量其位置读数并记录。
【数据表格与数据记录】mm f 170= m n 8.435=蓝λ m n 1.546=绿λ m n 0.578=黄λ用逐差法处理数据： 对于黄光：mm l 793.03437.2815.41=-=∆mm l 79.03192.3562.51=-=∆mm l l l 792.0279.0793.0221=+=∆+∆=∆ 对于绿光：mm l 723.03556.2725.41=-=∆ mm l 739.03277.3495.52=-=∆mm l l l 731.02739.0723.0221=+=∆+∆=∆ 对于蓝光：mm l 593.03818.2598.41=-=∆ mm l 599.03390.3188.52=-=∆mm l l l 596.02599.0593.0221=+=∆+∆=∆ s m MHZl frV /6.1451792.07.11170578=⨯⨯=∆=黄黄λs m MHZl frV /6.1485731.07.11170546=⨯⨯=∆=绿绿λs m MHZl frV /4.1454596.07.111708.435=⨯⨯=∆=蓝蓝λ【小结与讨论】1. 实验应用超声光栅声速仪测定了黄光，绿光，蓝光在水中的传播速度。
超声光栏实验实验报告
一、实验目的1. 了解超声光栅的产生原理及其应用。
2. 掌握声波对光信号调制的机制。
3. 通过测量液体中的声速，加深对声学和光学物理概念的理解。
二、实验原理超声光栅是一种利用声波在介质中传播时产生的衍射现象，对光信号进行调制的装置。
当超声波作为一种纵波在液体中传播时，声压会使液体分子产生周期性变化，进而引起液体折射率的周期性变化，形成疏密波。
此时，若平行单色光沿垂直于超声波方向通过疏密相间的液体，就会被衍射，类似于光栅，故称为超声光栅。
实验中，超声波传播时，若前进波被一个平面反射，会反向传播。
在一定条件下，前进波与反射波可以形成驻波。
由于驻波的小振幅可以达到单一行波的两倍，加剧了波源和反射面之间的疏密程度。
在某时刻，驻波的任一波节两边的质点都涌向这一点，使该节点附近形成密集区，而相邻波节处为质点稀疏处；半个周期后，这个节点附近的质点向两边散开形成稀疏区，而相邻波节处又形成密集区。
这一过程不断重复，形成一系列密集和稀疏的区域。
三、实验器材1. 超声光栅实验装置2. 液体介质（如水、油等）3. 光源（如激光器）4. 光电探测器5. 计时器6. 数据处理软件四、实验步骤1. 将超声光栅实验装置安装好，调整光源和光电探测器的位置，使其能够接收反射光。
2. 将液体介质倒入实验装置中，确保液体充满整个装置。
3. 打开超声波发生器，调整频率和功率，使超声波在液体中传播。
4. 测量光电探测器接收到的反射光强度，记录数据。
5. 改变超声波频率和功率，重复步骤3和4，记录不同条件下的数据。
6. 利用数据处理软件对实验数据进行处理，分析声波对光信号的调制机制。
五、实验结果与分析1. 实验结果显示，随着超声波频率和功率的增加，光电探测器接收到的反射光强度也随之增加。
这说明超声波对光信号的调制作用随着声波强度的增大而增强。
2. 通过对实验数据的分析，可以得出以下结论：- 超声波在液体中传播时，会对光信号进行调制，形成一系列密集和稀疏的区域。
超声光栅实验
实验项目： 实验目的：超声光栅实验（综合设计 2-1） 1、 了解超声光栅产生原理。
2、 了解声波如何对光信号进行调制。
实验仪器： 实验原理：3、 测量液体（非电解质溶液）中的声速。
JJY 分光计, WSG-I 超声光栅声速仪, 汞灯 仪器性能指标： 1． 输出电压 220V 50Hz 2． 输出信号频率：8~12MHz 3． 工作频率 9.5~11.5MHz 4． 测微目镜测量范围：8mm 测量精度 0.01mm超声波传播时，若前进波被一个平面反射，会反向传播。
在一定条件下入射波与反射波 叠加形成超声频率的纵向振动驻波。
当单色平行光λ 沿垂直于超声波传播方向通过疏密 相间的液体时，因折射率的周期性变化使光波波阵面产生相应的相位差，经透镜聚焦出 现衍射条纹。
该现象与平行光通过透射光栅的情形相似。
因为超声波波长很短，只要超 声池的宽度能够维持平面波，池中液体就相当于一个衍射光栅。
行波波长 A 相当于光 栅常数。
由超声波在液体中产生的光栅作用称作超声光栅。
当满足声光喇曼－奈斯衍射条件<<1 时，该衍射相似于平面光栅衍射，可得如下光栅方程：（式中 k 为衍射级次， 为衍射角）当 很小时有： 其中 为衍射光谱零级至 k 级的距离；f 为望远镜物镜焦距。
所以超声波波长：实验步骤：超声波在液体中传播的声速： V=Av= 率， 为同一色光衍射条纹间距λ 为光波波长， 为振荡器和锆钛酸铅陶瓷片的共振频1、分光计调整至待测状态：用自准直法调节望远镜聚焦于无穷远、望远镜光轴与分光计主轴垂直、平行 光管与望远镜同轴并出射平行光，观察望远镜光轴与载物台台面平行。
目镜调焦使看清分划板刻线，并 以平行光管出射的平行光为准，调节望远镜使观察到的狭缝清晰，狭缝应调至最小，实验过程中无需调 节；2、采用低压汞灯作光源，汞灯波长λ （其不确定度忽略不计）分别为：蓝光 435.8nm，绿光 546.1nm， 黄光 578.0nm（双黄线平均波长）。
超声光栅实验报告
超声光栅实验报告引言：超声光栅是一种用于测量物体表面形变和位移的先进技术。
通过利用超声波与光学衍射的相干性，可以非常精确地测量物体的形变和变化。
本报告将介绍超声光栅的原理、实验步骤和结果。
1. 实验目的本实验的主要目的是利用超声光栅技术，测量一个物体在受外力作用下的位移。
2. 实验原理2.1 超声光栅原理超声光栅技术的核心是利用超声波和光学衍射的相互作用。
当超声波通过物体表面时，会引起表面发生微小的位移，而这种位移会对光的传播产生衍射效应。
利用这种现象，我们可以通过测量光的衍射干涉图案的变化，来精确测量物体的微小位移。
2.2 具体测量原理在超声光栅实验中，首先我们需要将物体固定在一块透明的基板上。
当超声波垂直入射到物体表面时，会形成一系列的超声波源，这些超声波源会引起入射光的相位改变。
而当光线衍射到光栅表面时，会产生一系列的干涉条纹。
通过测量这些干涉条纹的变化，我们可以得到物体微小位移的信息。
3. 实验步骤3.1 实验装置组装首先，我们需要组装超声光栅的实验装置。
这个装置一般由光学系统、超声发射器和探测器组成。
光学系统用于产生和探测干涉图案，超声发射器用于产生超声波，探测器用于接收超声波。
3.2 调整光路在实验开始之前，我们需要调整光路，保证光线正确入射和衍射。
通过调整透镜的位置和角度，可以使得光线垂直入射并产生清晰的干涉条纹。
3.3 固定物体和超声发射器将待测物体固定在透明的基板上，并将超声发射器放在合适的位置。
确保超声波直接和物体表面接触，并且发射器的位置稳定。
3.4 进行位移测量启动超声发射器，产生超声波。
同时，观察并记录干涉条纹的变化。
通过分析干涉条纹的移动情况，可以得到物体在超声波作用下的位移。
4. 实验结果4.1 干涉条纹图案在进行位移测量的过程中，我们观察到了一系列的干涉条纹。
根据不同干涉条纹的间距和移动方向，我们可以准确地测量物体的位移大小和方向。
4.2 位移-时间曲线通过对测量数据的处理，我们可以得到位移-时间曲线。
超声光栅实验报告
超声光栅实验报告一、引言超声光栅是一种利用超声波和光栅相互作用的实验装置。
通过超声波的传播，可以形成光栅，进而产生干涉效应，利用此效应可以进行一系列的实验研究。
本实验旨在通过搭建超声光栅实验装置，探索超声波和光栅的相互作用规律。
二、实验装置本实验所使用的装置主要包括超声波发生器、超声波振荡器、光栅、干涉条纹显示仪等部分。
超声波发生器用于产生超声波，并将超声波信号输入到超声波振荡器中。
超声波振荡器则将超声波信号转化为机械振动，通过光栅把超声波转化为光栅信号。
最后，干涉条纹显示仪会显示出超声光栅的干涉条纹。
三、实验步骤1.首先，将超声波发生器与超声波振荡器连接起来。
确保连接稳固，并调节超声波发生器的频率为合适的数值。
2.将光栅放置在超声波振荡器的旁边，确保超声波振荡器的机械振动能够传递给光栅。
3.打开干涉条纹显示仪，调节其参数，使其能够显示出光栅的干涉条纹。
4.打开超声波发生器和超声波振荡器，观察干涉条纹的变化。
可以尝试调节超声波发生器的频率，观察干涉条纹的变化情况。
5.记录观察到的干涉条纹的特征。
可以通过改变光栅的位置或角度来观察条纹的变化情况。
6.结束实验后，关闭所有设备并整理实验装置。
四、实验结果与讨论根据实验步骤，我们观察到了光栅的干涉条纹并记录了其特征。
实验中发现，当超声波的频率改变时，干涉条纹的间距也会发生变化。
当超声波频率较低时，干涉条纹的间距较大，条纹较稀疏；而当超声波频率较高时，干涉条纹的间距较小，条纹较密集。
这一现象可以通过光栅的行走波理论来解释。
行走波理论认为，光栅中存在着行走波，即超声波在光栅中的传播方式。
当超声波频率改变时，行走波的频率也会发生变化，进而影响干涉条纹的间距。
这与实验结果相吻合。
此外，实验中还观察到了当调节光栅的位置或角度时，干涉条纹的样貌也会发生变化。
这可以通过光栅的几何学理论来解释。
光栅的位置或角度变化会导致入射光的相位发生改变，从而影响干涉条纹的形态。
这也与实验结果相一致。
超声光栅实验实验报告
1. 了解超声光栅的产生原理及其在声学中的应用。
2. 掌握利用超声光栅测量超声波在液体中传播速度的方法。
3. 增强对声学、光学和物理概念的理解。
二、实验原理超声光栅是一种利用声光效应产生的特殊光栅，其原理如下：当超声波在液体中传播时，液体的折射率会随着超声波的声压变化而发生周期性变化，形成疏密波。
当平行单色光垂直于超声波方向通过这种疏密相间的液体时，光波会被衍射，类似于光栅，因此称为超声光栅。
超声光栅具有以下特点：1. 光栅间距与超声波频率成正比。
2. 光栅间距与液体中的声速成反比。
3. 光栅间距与液体介质的折射率成正比。
利用超声光栅测量超声波在液体中的传播速度，可以通过测量光栅间距和已知超声波频率，根据公式计算得出。
三、实验仪器1. GSG-1型超声光栅声速仪2. 超声发生器（工作频率9~13MHz）3. 换能器4. 液槽5. JJY-1型分光仪（物镜焦距f=168mm）6. 测微目镜（测微范围8mm）7. 放大镜8. 待测液及光源（钠灯或汞灯）1. 将待测液体倒入液槽中，调整液面高度，确保换能器能够完全浸入液体。
2. 开启超声发生器，调节频率至实验要求的工作频率。
3. 将换能器固定在液槽中，使其与液体充分接触。
4. 调整分光仪，使光束垂直于液面，并调整光束位置，使其通过换能器。
5. 观察分光仪上的光栅衍射条纹，并使用测微目镜测量光栅间距。
6. 记录实验数据，包括超声波频率、光栅间距、液体温度等。
五、实验结果与分析1. 根据实验数据，利用公式计算超声波在待测液体中的传播速度。
2. 对实验结果进行分析，讨论实验误差的来源，并提出改进措施。
六、实验总结本次实验成功实现了利用超声光栅测量超声波在液体中传播速度的目的。
通过实验，加深了对声光效应、超声光栅和声速测量的理解。
同时，实验过程中也发现了实验误差的来源，为今后的实验提供了参考。
七、实验讨论1. 实验过程中，如何减少实验误差？2. 超声光栅在实际应用中具有哪些优势？3. 如何提高超声光栅测声速的精度？八、参考文献[1] 超声光栅实验报告. 西安理工大学实验报告. 普通物理实验.[2] 超声光栅测声速实验报告. 中国知网.[3] 光栅衍射实验报告. 中国知网.。
超声光栅实验报告
超声光栅实验报告一、实验目的本实验的主要目的是通过超声光栅实验，掌握超声波在介质中的传播规律，了解光栅原理及其应用，学习使用超声光栅测量物体的尺寸和形状等参数。
二、实验原理1. 超声波在介质中的传播规律当超声波穿过介质时，会发生反射、折射和散射等现象。
其中，反射是指超声波遇到界面时部分能量被反射回来；折射是指当超声波从一个介质进入另一个介质时，会发生方向改变；散射是指当超声波遇到不均匀性介质时，会发生随机散射。
2. 光栅原理及其应用光栅是一种具有周期性结构的光学元件，其作用是将入射光分解为不同频率的衍射光。
在超声光栅实验中，利用光栅原理可以将超声波转换成可见光信号进行测量。
3. 超声光栅测量物体参数在超声光栅实验中，可以通过测量衍射图案中条纹的间距和角度等参数，计算出物体的尺寸和形状等信息。
三、实验步骤1. 准备实验仪器及材料，包括超声光栅装置、示波器、信号发生器、测量卡尺等。
2. 将超声光栅装置放置在被测物体旁边，调整其位置和角度，使其与被测物体成一定角度。
3. 连接信号发生器和示波器，并设置合适的频率和幅值。
4. 打开示波器，并观察衍射图案。
根据图案中条纹的间距和角度等参数，计算出被测物体的尺寸和形状等信息。
5. 重复以上步骤，测量多个角度下的衍射图案，并对比分析数据。
四、实验结果与分析通过本次实验，我们成功地利用超声光栅装置对不同形状的物体进行了测量。
在实验过程中，我们发现当超声波入射角度改变时，衍射图案中条纹的间距会发生变化。
因此，在进行测量时需要注意调整超声光栅装置的位置和角度。
五、实验总结本次实验通过使用超声光栅装置，成功地测量了不同形状的物体。
通过实验，我们深入了解了超声波在介质中的传播规律和光栅原理及其应用。
同时，我们也掌握了使用超声光栅测量物体参数的方法和技巧。
通过本次实验，我们不仅加深了对超声光栅实验的理解，还提高了实验操作能力和数据分析能力。
超声光栅测量声速实验报告
超声光栅测量声速实验报告一、实验目的1、了解超声光栅产生的原理。
2、学会使用超声光栅测量液体中的声速。
3、掌握分光计的调节和使用方法。
二、实验原理当一束平面超声波在液体中传播时，液体的疏密会发生周期性变化，其折射率也相应地发生周期性变化，形成超声光栅。
设超声波的波长为λs，频率为 fs，波速为 vs，在液体中的传播方向与光的传播方向夹角为θ。
当平行光垂直于超声波传播方向通过液体时，会发生衍射现象。
根据光栅衍射方程，衍射条纹的位置与波长、光栅常数等有关。
在超声光栅中，光栅常数等于超声波的波长λs。
通过测量衍射条纹的间距和角度，可以计算出超声波的波长λs，进而求出声速 vs ＝fs × λs 。
三、实验仪器分光计、超声光栅实验仪、汞灯、测微目镜等。
四、实验步骤1、调节分光计粗调：使望远镜、平行光管和平行平板大致水平，各半调节螺丝处于中间位置。
细调：用自准直法调节望远镜聚焦于无穷远，使望远镜光轴与分光计中心轴垂直；调节平行光管，使其发出平行光，并使其光轴与望远镜光轴重合。
2、连接超声光栅实验仪将超声光栅实验仪与分光计连接好，确保光路畅通。
3、观察超声光栅衍射条纹打开汞灯，让平行光通过超声光栅，在望远镜中观察衍射条纹。
4、测量衍射条纹间距转动望远镜，使叉丝对准衍射条纹的中央明纹，记录此时的角度读数θ1。
依次测量各级衍射条纹的角度读数θ2、θ3 等。
用测微目镜测量衍射条纹的间距。
5、改变频率，重复测量改变超声光栅实验仪的频率，重复上述测量步骤。
五、实验数据及处理1、实验数据记录｜频率（MHz）｜中央明纹角度（°）｜第一级明纹角度（°）｜第二级明纹角度（°）｜条纹间距（mm）｜｜：：｜：：｜：：｜：：｜：：｜｜ f1 ｜θ11 ｜θ12 ｜θ13 ｜ d1 ｜｜ f2 ｜θ21 ｜θ22 ｜θ23 ｜ d2 ｜｜ f3 ｜θ31 ｜θ32 ｜θ33 ｜ d3 ｜2、数据处理根据衍射条纹的角度读数，计算出各级衍射条纹对应的衍射角。
用超声光栅测定液体中的声速实验报告
超声光栅测定液体中的声速实验报告一、概述1.1 背景介绍超声光栅是一种用于测定液体中声速的仪器，它利用超声波的干涉现象来确定液体中声速的大小。
声速是指声波在介质中传播的速度，它对于液体的性质和结构有着重要的影响。
测定液体中的声速对于科学研究和工程应用具有重要意义。
1.2 研究目的本实验旨在通过使用超声光栅仪器，测定不同液体中声速的大小，以便对比分析液体的性质和结构差异。
二、实验原理2.1 超声波的干涉现象超声波是指频率大于20kHz的声波。
超声波在液体中传播时会产生干涉现象，这种干涉现象可以被超声光栅仪器捕捉和记录下来。
2.2 超声光栅仪器超声光栅仪器由发射器、接收器、干涉条纹显示器和时间测量系统组成。
发射器负责产生超声波，接收器负责接收干涉条纹，干涉条纹显示器用于观察干涉条纹的变化，时间测量系统用于测定干涉条纹的时间差。
2.3 声速测定原理液体中的声速可以通过测定干涉条纹的时间差来确定。
当超声波在液体中传播时，会产生一系列干涉条纹，这些干涉条纹的间距与声速成正比。
通过测定干涉条纹的时间差，即可计算出液体中的声速。
三、实验步骤3.1 实验仪器准备需将超声光栅仪器的发射器和接收器固定在容器的两侧，确保它们之间没有空隙，以确保超声波的传播路径不受限制。
3.2 液体样品准备准备不同的液体样品，确保它们的温度和压力相同。
这样可以避免外部环境因素对声速测定结果的影响。
3.3 实验操作将液体样品依次置于超声光栅仪器中，记录下干涉条纹的变化，并测定干涉条纹的时间差。
3.4 数据处理根据测定得到的干涉条纹时间差，利用声速测定原理计算出液体中的声速值，并进行结果分析。
四、实验结果与分析经过实验测定，得出不同液体中的声速数值如下：（见表1）表1 不同液体中的声速测定结果液体名称声速（m/s）甲醇 1430乙醇 1160水 1480通过对比分析不同液体中的声速数值，可以发现它们之间存在着显著的差异。
甲醇的声速最小，水的声速最大，这可能与液体的密度、粘度等物理性质有关。
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实验十四 超声光栅
（综合性实验）
【实验目的】
1．了解超声光栅产生的原理；
2．利用超声光栅衍测声波在介质中的速度。
【实验仪器及设备】
SG －1型超声光栅仪、分光计.
【实验原理】
一、综述
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作声光效应。
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衍射。
这种
声光效应称作拉曼－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。
二、实验原理
1．超声光栅的形成
在透明介质中传播的超声波使介质的局部发生周期性的压缩与膨胀，以致密度随之发生相应的变化。
如行波被反射，可在一定条件下形成驻波，从面加剧了介质的疏密变化。
某时刻，纵驻波的任一波节两边成为质点密集区，而相邻的波节处为质点稀疏区；半个周期后，这个节点附近的质点又向两边散开变为稀疏区，相邻波节处变为密集区。
稀疏作用使介质折射率减小，而压缩作用使折射率增大（图1）。
从声源发出的超声波在透明介质中传播，如果反射面与声源的距离满足半波长的整数倍时，就会形成驻波。
声波是纵波，这样在介质中就会形成节点处，介质的密度相对波腹处的密度小，透明介质就形成一个正弦光栅。
2．测声速
波长为λ单色平行光束沿垂直于超声波传播方向通过槽中液体时，因超声波的波长很短，只要槽宽到能维持平面波，槽中液体就相当一个衍射光栅。
图中声波的波长Λ即相当于光栅常量。
根据光栅方程，衍射的主极大（光谱线）由下式决定：
λϕk k =Λsin ),2,1,0( ±±=k （1）
只要测出衍射角，即可根据已知光波求得声波在该介质传播的波长
k
k ϕλsin =Λ ),2,1,0( ±±=k 则在该介质中声波的传播速度为
νϕλνk
k u sin =Λ= ),2,1,0( ±±=k （2） 式中ν是超声波的频率，
实验中是高频功率信号源
与压电陶瓷片的共振频
率。
由于超声光栅的光栅
常量很大，因此衍射角很
小；当使用分光计测衍射
角时，各波长的谱线无法
分开，难以测量。
卸下分
光计望远镜上的阿贝目
镜，安上读数目镜，可读
取各级谱线与零级的距离，由于衍射角很小，如图2所示有 f
x tg k k '=ϕ （3) 且有k k k tg ϕϕϕ==sin ，故（2）式改写为 νλk
x f k u '= ),2,1,0( ±±=k （4） 其中f '为分光计望远镜物镜的焦距，k x 为第k 级光谱到零级的距离。
3．实验装置介绍
实验是通过置于玻璃液槽中的压电换能器把电振荡转化成在液体中传播的超声波。
由于压电换能器对面槽壁的反射作用，从面在液槽中形成稳定的驻波。
超声波调制了液体的密度，使原来均匀的透明液体变成具有折射率周期变化的“超声光栅”。
当光束穿过超声光栅时，就象穿过普通刻线光栅那样产生衍射现象。
由于超声光栅即是振幅光栅，又是位相栅，而且光栅常量（即声波波长）是可变的，因此比普通光栅衍射实验可观察到更丰富的物理现象。
超声池为90×50×60mm 3的矩形玻璃液槽。
聚乙烯绝缘盖下垂直装有锆钛酸铅压电陶瓷
片。
盖上的两个接线柱与压电陶瓷两电极相接。
压电陶瓷片（PZT ）在高频功率信号源（频率约为10MHz ）交变电场作用下，发生周期性的压缩和伸长，这种高频振动在介质中的传播就是超声波。
信号源是一晶体管自激振荡器。
PZT 片与可变电容并联构成LC 振荡回路的电容部分，是一个螺旋线圈，通过晶体管的正反馈电路的，能够产生和维持等幅振荡，调整面板上的电容可以改变振荡频率。
【实验内容和步骤】
一、分光计的调整
分光计的调整同“分光计的调整和使用”实验中的要求。
二、超声池的调节
1．超声池置分光计的载物台上，目视超声池水平，与准直管垂直；
2．超声池内盛待测液体，接通压电陶瓷片的激励电源；
3．转动望远镜，并适当调节器信号频率，可在狭缝两侧看到汞灯至少三级的对称衍射光谱；
4．调节载物台，使左右光谱对称等高。
三、测量
对蒸馏水和乙醇两种液体各自对汞灯的声光衍射的紫（435.8n5）`绿（546.1nm）、黄（578.1nm）各级的衍射角。
根据（2）式计算蒸馏水、乙醇中的声速。