液體中的聲光效應及應用研究*①

李武軍 李誠 王曉穎

(西安工業大學理學院 陜西 西安 710032)

作者簡介：李武軍(1970- )，男，碩士，副教授，主要從事物理實驗教學研究和激光技術與應用研究．

1 引言

聲光效應是指光通過受超聲波擾動的介質時發生的衍射現象，該衍射現象本質上是光波與聲波相互作用的結果．聲波是彈性波，在介質中傳播時，會使介質產生相應的彈性形變，從而激起介質中各質點沿聲波傳播的方向振動，引起介質的密度呈現疏密相間的周期性變化，因此介質的折射率也發生相應的周期性變化．該作用如同在介質中形成了光學的“相位光柵”，因此當光波通過該作用區時會發生衍射，其結果使得衍射光的強度、頻率、方向隨著超聲場的變化而變化[1]．由于聲場和光場可以同時存在于介質，因此能實現對光波方向偏轉、強度的主動控制，也可將各種信號加載到光波上，完成對信息的輸運、存儲及處理，從而近些年得到了很大發展[2，3]．

本文擬通過討論液體介質中聲光相互作用，根據衍射光條紋間距和入射光波長之間的線性關系，采用線性擬合方法提高聲速測量值的精確度．

2 聲光作用的基本原理

2.1 聲光相互作用兩種類型的區分

按照超聲波頻率的高低和介質中聲光相互作用長度的不同，聲光相互作用分為兩種不同參數下的極端情況：拉曼-納斯衍射和布拉格衍射．實際中出現哪種衍射與聲波波長、光束入射角、聲光相互作用的距離有關．區分兩種衍射類型的根據為[4]

(1)

其中，L為聲光相互作用長度，λ為介質中的光波長，λS為聲波長．一般當Q≤0.3時為拉曼-納斯衍射，當Q≥4π時為布拉格衍射，而在0.3≤Q≤4π的中間區域，衍射現象比較復雜．對于液體介質，一般聲波長在10-4m量級，可見光波長在10-7m量級，聲光相互作用的長度約幾個厘米，可見其相應的Q?0.3，因此液體介質中的聲光相互作用為典型的拉曼-納斯衍射類型．

2.2 拉曼-納斯衍射的基本原理

液體介質中超聲波的頻率低，聲光相互作用的長度較短，發生拉曼-納斯衍射的機理如圖1所示，其中聲波寬度為L，波長為λS；光波垂直于聲波方向入射，寬度為b，波長為λ．則各級衍射光滿足的衍射方程為

(2)

圖1 拉曼-納斯衍射

衍射光的主要特點為：

(1)衍射光在遠場形成一組衍射光，其分別對應于不同的衍射角；

(2)各級衍射光對稱分布于中央零級衍射光兩側；

(3)同級次衍射光的強度相等．

根據衍射方程，考慮到實際衍射角很小的情況下，有

(3)

式中lm為相應級次衍射光譜偏離衍射中央條紋的距離，f為會聚透鏡的焦距．在此近似下，同波長入射光的各級衍射條紋之間的間距相等，這使得實際應用時更加方便．

3 實驗測量及結果

3.1 聲速測量

根據上述分析的兩種衍射的特點和區分標準，對于液體介質中的聲光相互作用只能觀察到拉曼-納斯衍射．利用該原理和目前常用的超聲光柵測量儀可以方便的測量液體介質中的聲速．實驗測量采用WSC-II型超聲光柵聲速測量儀，其中水槽尺寸為77.0mm×40.0mm×60.0mm，通光方向尺寸為40.0mm．光源采用高壓汞燈，調整儀器到測量狀態．調節超聲波頻率，并同時微調水槽方位，至清晰地觀察到不同入射色光的正負3級衍射光，此時入射光垂直與超聲波波面，聲光相互作用為典型的拉曼-納斯衍射，測得的數據如表1所示．由式(2)和式(3)可推得

(4)

其中vS為聲速，νS為超聲波頻率，Δl為同一波長相鄰兩級衍射光譜之間的距離．數據如表1，其中f=170mm，ν=10.37MHz.水中聲速公認值1 483m/s(20°).

表1 拉曼-納斯衍射測量聲速

3.2 線性擬合結果

由上述聲速測量結果數據表1可見，采用不同入射波長光波的衍射情況計算所得結果仍有較大得差距，并且各色光衍射所得結果與公認值都存在一定的誤差．排除環境溫度引起水中聲速的偏移外；引起測量誤差的主要原因在于測量和讀取衍射條紋的坐標時，存在較大的讀數偶然誤差．為此對式(4)變形后可得

(5)

上式表明衍射條紋的相鄰間距與入射光波的波長成線性關系，由此對上述實驗測量得到的數據可以采用線性擬合的方法進行處理，應能在很大的程度上消除測量讀數引起的偶然誤差．進行線性擬合的結果如圖2所示.考慮到實際光波頻率少，擬合時增加了(0，0)點數據．擬合所得結果為：斜率k=1.190 3×103，聲速vS=1 481m/s．

圖2 條紋間距與光波長的線性擬合

比較上述兩種數據處理結果可以看出，根據聲光衍射的條紋間距和光波長之間的線性關系，采用線性擬合的方法得到的超聲速測量值與公認值符合的更好．表明對于聲光相互作用物理量的測量，充分利用光源的頻譜，結合適當的數據處理方法，可以優化實驗數據，獲得更準確的測量結果．

4 結論

聲光效應不僅能有效的控制光束的傳播方向和強度，而且能用于測量聲光介質的物理特性．本文通過討論聲光相互作用的區分標準，給出在液體介質中聲光相互的類型一般應為拉曼-納斯衍射；利用高壓汞燈作為光源，用拉曼-納斯衍射測量液體介質中的聲速時，由光源的不同波長測量計算得到的聲速差別較大，考慮到衍射的條紋間距和入射光波長之間的線性關系，采用線性擬合的方法得到的超聲速測量值與公認值符合的很好．

參考文獻

1 張成義,李傳起,程國生.基于塔爾博特效應測量液體中的聲速.物理實驗,2008,28(11):34～36

2 薛永鋒.衍射光偏轉角計算方法的探討.西安文理學院學報,2006,9(1):83～85

3 何寧,姜紅艷.基于聲光偏轉的載頻相干探測研究.激光與紅外,2009,39(11):1188～1192

4 姚建銓,于意仲.光電子技術.北京:高等教育出版社,2006.265～268