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1、西安工业大学学士学位论文本科毕业设计论文题目：超声光栅效应及应用院、 系： 数理系 学科专业： 应用物理学 学 生： 学 号： 041004132 指导教师： 2008年6月1超声光栅效应及应用摘 要超声光栅效应是声光相互作用的一种典型类型，尤其是在声光作用距离较小情况下，光波通过介质时，介质折射率形成近似不随时间变化的空间周期性分布，因而光波通过这种周期性分布的介质时，其位相会受到调制。超声光栅是一种可擦除的实时光栅，其光栅常数可以通过超声波的频率来控制,利用超声光栅技术可以对声波特性 (如频率、波速、波长、声压衰减、相位等) 等进行测量。随着激光技术的发展,声光相互作用在控制光的强度、传播
2、方向等方面又得到了新的应用，因此越来越受到人们的关注。本文研究了液体中声光相互作用的机理，包括介质中声波的传播形式、声光相互作用的类型，着重研究了声光拉曼-奈斯衍射的机理，以及声光拉曼-奈斯衍射在超声声速和液体浓度测量中的应用。理论和实验研究结果表明:（1）对于同一种入射光，在相同浓度的液体中，存在一超声频率使得衍射的级数最多，衍射的条纹亮度最高,此应恰好是超声换能器的共振频率，该频率应在10.30MHz附近。（2）利用高压汞灯不同谱线测量得到超声声速值与公认值比较符合，测量精度较高。（3）利用He-Ne激光作为光源，测得的声速值与公认值差别较大。此由于激光强度大，衍射光斑尺寸大，测量衍射条纹
3、间距时精度较低的原因。关键词：超声光栅；拉曼-奈斯衍射；声速；浓度；衍射条纹Ultrasonic grating effect and applicationAbstractThe ultrasonic grating effect is one typical type of acousto-optic interaction , in the case of small range coverage of Acousto-optic , when the light wave passes through the medium, the medium refractive index fo
4、rms spatial periodicity distribution which is not along with the time variation approximately, when therefore light wave through this periodic distributed medium , its phase will receive the modulation. The ultrasonic grating is the real-time diffraction grating which may clean, its constant may be
5、controlled through the frequency of ultrasonic wave, using the technology of ultrasonic grating can calculate the characteristic of sound wave ,such as the frequency, the wave velocity, the wave length, more weaken sound pressure, the phase. Along with Laser Technology development, the acousto-optic
6、 interaction also obtained the new application in control of light intensity, the direction of propagation , therefore more and more people pay an attention to it. This article researches the mechanism of acousto-optic interaction in liquid, including dissemination form of sound wave in medium, the
7、type of Acousto-optic interaction , putting an emphasis on studying acousto-optic Raman - Nath diffraction mechanism, and acousto-optic Raman - Nath diffraction is applied to the sonic speed and the density of fluid. The result of the theory and the experimental study indicated:(1) The identical inc
8、ident light in same density liquid makes diffraction progression more under an ultrasonic frequency and makes diffraction stripe brighter, This should be ultrasonic transducers resonance frequency which is nearby 10.30MHz exactly ;(2) Using different spectral line of the high pressure mercury lamp i
9、s to obtain the sonic speed value ,which have comparison with theoretical value ,we can see that they are quite close ,meanwhile we can obtain that the accuracy of measurement is high.(3) When He-Ne laser is taken as the light source ,obtaining sonic speed value have a big difference with theoretica
10、l value, because the intensity of laser is strong, and the size of its diffraction facula is big ,so diffraction fringe spacing precision is low Keywords: ultrasonic grating; Raman - Nath diffraction; sonic speed; density; diffraction fringe,30目 录中文摘要I英文摘要II一 绪 论11.1超声波11.2超声光栅的发展2二 声光衍射理论的概述32.1介质中
11、声波形式32.1.1行波场32.1.2驻波场32.2声光相互作用的两种类型42.2.1拉曼-奈斯衍射42.2.2布拉格衍射72.3声光调制器10三 超声光栅测量液体声速的研究123.1液体中声速测量的基本原理【3-7】123.2测量装置143.3实验测量中的几点讨论153.4实验测量结果及分析15四 超声波在其它方面的应用194.1超声波测量液体位置的研究15194.2超声波清洗技术的研究2194.2.1超声波清洗的原理204.2.2超声波清洗机的应用204.3 超声检测214.4超声波在生物发酵上的应用1722五 结 论25致 谢26参考文献27附录A29西安工业大学学士学位论文一 绪 论1
12、.1超声波从1880 年居里发现了压电现象以及1893 年Galton发现了超声哨子时，就建立了超声波领域。1986年,英国皇家化学会在Warmick 大学召开了第一次声振化学(sonochemistry)会议,反映了本领域的研究进展，引起了工业界和学术界的兴趣, 声振化学的发展已能与光化学、激光化学、热化学和高压化学相提并论。超声波和声波一样,是物质介质中的一种弹性机械波,只是频率不同。超声学是涉及20kHz以上频率声波的一个声学分支，人耳一般听不见，它在介质中传播形式可分为两种情形:（1）低振幅传播。此时,超声波并不改变所通过材料的理化特性,超声波测量就主要是由这类超声波完成；（2）高能传
13、播。此时,超声波对传播介质发生影响。在弹性介质中传播的超声波的频率f和周期T一般取决于声源的振动频率和周期，它们与介质本身的特性无关。而超声波是通过电磁振荡与机械振动的转换来实现,超声波的发生通常有三种方法：磁控振荡、压电晶体振荡和机械振荡,前两种方法一般不适合液体乳化混合操作,比较适用的是机械振荡方法，完成这种转换的装置称为电声换能器。由于超声波的波长很短, 频率很高,因而具有一系列与通常声波不同的特点。由于超声波的波长比在同样介质中的声波波长短得多,衍射现象不明显,所以可以像光一样沿直线传播,具有很好的定向性。超声波同样有干涉现象,能产生驻波。实验证明超声波遵守折射和反射定律,能够加以汇聚
14、,以获得巨大能量。由于波的强度正比于频率的平方,所以在相同的振幅时,超声波比普通声波具有大得多的能量。超声波应用的研究由来已久，20100kHz的超声波作为能量作用：用于清洗、塑料熔接及许多化工过程。210MHz的超声波作为传播作用：用于医学扫描、化学分析及松弛现象的研究。一般认为超声在物质介质中的相互作用的强弱与超声波的频率和强度有关，超声波的作用可归纳为以下几个方面1：（1）加热作用：介质总体温度的上升是由于吸收声波。（2）结构影响：当流体放置于高强声场中时，动力搅拌和剪切应力将影响其结构特性。（3）压缩和松弛作用：当高强声能波通过固体介质时，将会出现快速的压缩和松弛作用。（4）声冲流：高
15、强的超声波在液、固和气固界面能引起比较强烈的流，称为“声冲流（5）空化作用：在超声波压力场内，空化气泡的形成、增长和剧烈破裂以及由此引发的一系列理化效应。因此超声波在物理、生物、医学、测量等学科及工业、农业领域中得到广泛应用。如超声清洗、超声雾化、超声探测、超声乳化混合、超声全息显示及声光效应等。1.2超声光栅的发展1922 年,布里渊(L . Brillouin)曾预言,当高频声波在液体传播时,如果有可见光通过该液体,首次提出声波对可见光会产生衍射效应。这一预言在10 年后得到了验证,这一现象被称作声光效应。若声光作用距离L较小,光波通过时,介质折射率的空间周期性变化性质可近似认为是时间不变的,其位相受到的调制,如同经过一个正弦位相光栅,正弦位相光栅与普通平面矩形光栅的衍射主极大满足类似的光栅方程。1935年,拉曼( Raman) 和奈斯(Nath) 对声光效应进行研究发现,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【1】。超声光栅是一种可擦除的实时光栅,它的光栅常数和位相调制深度可以通过超声波的频率和振幅来控制, 因此越来越受到人们的关注，利用超声光栅技术可以对声波特性 (如频率、波速、波
