超声光栅是怎样形成的

如题所述

超声光栅是一种特殊的光栅,在大学物理实验教学中,在光信息实验中,在研究声对光的调制中,有着特殊的作用。

超声光栅的原理如图1所示,它由高频信号发生器、频率计、频率调节器、超声换能器、液体介质和液槽组成。各部分的作用如下:高频信号发生器产生一个超声频率的交变电压信号,频率计是用来测量这个交变信号频率的,而调节器则可以在一定范围内改变交变电压信号的频率和振幅。超声换能器可以将高频交变电压信号转变为同频率的机械振动,从而产生超声波发射出去。超声波必须对液体介质作用才能形成超声光栅,液槽是用来装载液体的,并且可以提供超声波的反射面,以便于形成超声驻波

超声光栅的形成机理是:超声波在液体中时以弹性纵波的形式传播,它使液体的密度在超声波传播方向上发生周期性的大小变化,即密度呈现“密集——稀疏——密集…”的周期性变化,从而使液体的折射率也发生周期性变化。当有光线垂直于声波传播方向通过液体时,不同位置的光波经历的光程不同,原来是平面波的光波经过液体后,平面波变为弯曲的非平面波,与位相光栅对光的作用相类似,如图2所示。这种有超声波场的液体就被称为超声光栅,光线通过超声光栅时也会发生光栅衍射现象,此种衍射被称为声光衍射。超声光栅的光栅常数就是液体折射率在空间变化的周期,即超声波的波长。

声光衍射同样满足光栅方程:



上式中λs为超声波波长,λ为光波波长,θk为第k级衍射光的衍射角。

超声光栅与普通刻线光栅或全息光栅的不同之处主要有两点:第一是光栅形成的机理不同;第二是普通的光栅其光栅常数是固定不变的,而超声光栅的光栅常数是随超声波的波长变化的。超声波在液体中形成超声光栅的模式有两种,一种是超声行波光栅,另一种是超声驻波光栅。当液体内只有换能器发射的超声波时,形成的超声光栅称为行波光栅,其结构如图3(a)所示,在换能器的对面安装有吸收声波的材料,液体中只有换能器发射的超声波,没有反射波。行波光栅的栅面在空间是随时间移动的。驻波光栅的结构如图3(b)所示,在换能器的对面有声波的反射面,液体中有换能器的发射波和反射面的反射波,当发射波与反射波叠加且满足驻波形成的条件时,就会形成超声驻波,从而形成超声驻波光栅,驻波光栅光栅的栅面在空间的位置是固定的。驻波的振幅是发射波的2倍,将使液体的折射率发生更强的变化,从而使通过超声光栅的光波发生更强的衍射。

由于超声驻波使液体密度的疏密变化更强,对光的衍射效果也更强,所以,通常实验研究中都采用超声驻波光栅。形成超声驻波的条件是:(1)发射波与反射波互相平行,使其能够叠加。实验中采用调节换能器发射面与玻璃液槽内表面(即超声波的反射面)互相平行来满足这个条件。
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