液體聲光衍射的實(shí)驗(yàn)分析

摘 要： 本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析了液體中的聲光衍射的特點(diǎn)，液體中的聲光相互作用為典型的拉曼-奈斯衍射。實(shí)驗(yàn)測(cè)得的衍射光強(qiáng)分布與理論規(guī)律相符合。表明衍射條紋的方位由相位光柵方程決定，衍射條紋的強(qiáng)度由相應(yīng)階次的函數(shù)值J■■（n）決定。對(duì)于確定的介質(zhì)，存在一最佳聲場(chǎng)功率使得高級(jí)次的衍射光強(qiáng)度最大。

關(guān)鍵詞： 聲光衍射 拉曼奈斯衍射 折射率

1.引言

超聲波通過(guò)介質(zhì)時(shí)會(huì)造成介質(zhì)的局部壓縮和伸長(zhǎng)而產(chǎn)生彈性應(yīng)變，該應(yīng)變隨時(shí)間和空間作周期性變化，使介質(zhì)出現(xiàn)疏密相間的現(xiàn)象，如同一個(gè)相位光柵。當(dāng)光通過(guò)這一受到超聲波擾動(dòng)的介質(zhì)時(shí)就會(huì)發(fā)生衍射現(xiàn)象，其衍射光的強(qiáng)度、頻率、方向等都隨著超聲場(chǎng)的變化而變化，這種現(xiàn)象稱之為聲光效應(yīng)。早在1922年，布里淵（Brillou in）就預(yù)言了聲光效應(yīng)的存在，1932年，由美國(guó)的德拜和希思（Debye and Sears）、法國(guó)的盧卡斯和畢瓜德（Lucas and B iquard）在實(shí)驗(yàn)上得到證明[1]。20世紀(jì)60年代以后，激光的問世及高頻換能器（100MHz以上）的產(chǎn)生極大地促進(jìn)了聲光效應(yīng)理論和應(yīng)用研究的迅速發(fā)展。由于利用聲光效應(yīng)可以快速而有效地控制激光束的頻率、方向和強(qiáng)度，大大地?cái)U(kuò)展了激光的應(yīng)用范圍，很快出現(xiàn)了許多性能優(yōu)異的聲光器件。

按照聲波頻率的高低及聲波和光波作用長(zhǎng)度的不同，聲光相互作用可以分為拉曼納斯衍射和布喇格衍射兩種類型。當(dāng)超聲頻率較低，光波平行于聲波面入射（即垂直于聲場(chǎng)傳播方向），聲光互作用長(zhǎng)度較短時(shí)，在光波通過(guò)介質(zhì)的時(shí)間內(nèi)，折射率的變化可以忽略不計(jì)，則聲光介質(zhì)可近似看做相對(duì)靜止的“平面相位光柵”，產(chǎn)生拉曼納斯衍射。由于聲速比光速小得多，而且對(duì)于液體介質(zhì)，一般超聲波長(zhǎng)在10～4m量級(jí)，可見光波長(zhǎng)在10～7m量級(jí)，聲光相互作用的長(zhǎng)度約為幾個(gè)厘米，聲波長(zhǎng)比光波長(zhǎng)大得多，所以當(dāng)光波平行通過(guò)介質(zhì)時(shí)，幾乎不通過(guò)聲波面，因此只受到相位調(diào)制，即通過(guò)光密（折射率大）部分的光波波陣面將推遲，而通過(guò)光疏（折射率?。┎糠值墓獠ú嚸鎸⒊埃谑峭ㄟ^(guò)聲光介質(zhì)的平面波波陣面出現(xiàn)凹凸現(xiàn)象，變成一個(gè)折皺曲面。由出射波陣面上各子波源發(fā)出的次波將發(fā)生相干作用，形成與入射方向?qū)ΨQ分布的多級(jí)衍射光。因此液體介質(zhì)的聲光相互作用為拉曼奈斯衍射類型。[2]

本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)就液體介質(zhì)的聲光效應(yīng)進(jìn)行了探究，結(jié)合相關(guān)理論分析了液體介質(zhì)中超聲光柵的形成機(jī)理，驗(yàn)證了液體中的聲光衍射為拉曼納斯衍射，并定性分析了衍射條紋和光強(qiáng)分布的特點(diǎn)及影響條紋分布的因素。

2.實(shí)驗(yàn)方案

2.1實(shí)驗(yàn)原理

設(shè)介質(zhì)中的聲波為一寬度為L(zhǎng)的平面縱波，波矢L指x軸正向，入射光波矢量Ks指向y軸正向，二者相互正交?？紤]光波的速度（108m/s）遠(yuǎn)大于液體中聲波的速度（103m/s）和聲波引起介質(zhì)的折射率變化很小的情況下，略去介質(zhì)折射率分布對(duì)時(shí)間的依賴關(guān)系，介質(zhì)中的折射率分布為

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，實(shí)驗(yàn)測(cè)量時(shí)，先調(diào)整入射光垂直與聲場(chǎng)傳播方向入射，再調(diào)整超聲頻率使得出現(xiàn)盡可能高級(jí)的衍射光，用可變光闌選擇透過(guò)不同級(jí)次的衍射光，分別測(cè)量各級(jí)衍射光的功率。測(cè)量各級(jí)衍射光的見表1。其中超聲頻率V■=10.50MHz，入射光強(qiáng)I=1.382mw。

3.實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

由表1的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可得：

1）零級(jí)的衍射光強(qiáng)最大，其占總?cè)肷涔β实慕^大部分；

2）各高級(jí)次的衍射光強(qiáng)依次遞減，且正負(fù)級(jí)次的光強(qiáng)近似對(duì)稱分布；

3）計(jì)算測(cè)量得到各級(jí)衍射光強(qiáng)之和為1.217mW，其與入射光強(qiáng)1.382mW有一定的差距，主要是由于入射光在液體池的表面有反射、在液體中傳播時(shí)也有一定強(qiáng)度的光強(qiáng)被介質(zhì)散射，而且在衍射光中可能還存在未被觀察到的更高級(jí)次的衍射光強(qiáng)。

上述的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與條紋分布、光強(qiáng)分布的理論一致：

1）由式（4）可見，各級(jí)衍射光的極大值規(guī)律與普通光柵衍射的光柵方程相同，對(duì)應(yīng)的光柵常數(shù)即為入射的聲波波長(zhǎng)；各高級(jí)衍射條紋對(duì)稱排列在零級(jí)衍射條紋兩側(cè)。

5）各級(jí)衍射光強(qiáng)正比于函數(shù)。由圖1可知，當(dāng)所加驅(qū)動(dòng)功率使得υ分別取值1.85，3.06，4.21時(shí)，相應(yīng)的高級(jí)次衍射光出現(xiàn)極大值，且各級(jí)極大值分別為入射光強(qiáng)的33.86%，23.67%，18.83%。因此對(duì)于一定介質(zhì)，應(yīng)存在一最佳的聲場(chǎng)驅(qū)動(dòng)功率，能使得不同高級(jí)次的衍射光強(qiáng)最大。

需要說(shuō)明的是，實(shí)驗(yàn)測(cè)量中由于無(wú)法獲得介質(zhì)中的超聲場(chǎng)功率，從而實(shí)驗(yàn)測(cè)得的衍射光強(qiáng)分布數(shù)據(jù)與數(shù)值計(jì)算得到的光強(qiáng)不可比，但測(cè)量得到的各級(jí)衍射光強(qiáng)的分布趨勢(shì)與數(shù)值計(jì)算分布規(guī)律相符。

4.結(jié)語(yǔ)

根據(jù)聲場(chǎng)對(duì)光場(chǎng)的衍射作用，液體介質(zhì)聲光效應(yīng)為典型的拉曼—奈斯衍射。衍射極大的方位由相應(yīng)的“相位光柵”方程決定，衍射條紋將對(duì)稱分布于零級(jí)衍射條紋兩側(cè)。各級(jí)次衍射光的強(qiáng)度由函數(shù)J■■（v）的值決定，由于v值與聲場(chǎng)驅(qū)動(dòng)率，聲光作用長(zhǎng)度，以及入射光的波長(zhǎng)有關(guān)，因此對(duì)于確定的介質(zhì)，應(yīng)存在一最佳的聲場(chǎng)驅(qū)動(dòng)功率使得高級(jí)次的衍射光強(qiáng)度最大。

參考文獻(xiàn)：

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