CN214251251U - 一种谐振声场的声光衍射实验装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种谐振声场的声光衍射实验装置，包括：光源；光学准直扩束组件，用于将所述光源发出的光耦合到谐振腔中；谐振腔，用于对所述光学准直扩束组件的出射光的相位进行调制；透镜，用于将谐振腔出射的光聚焦到观测屏上，在所述观测屏上形成二维声光衍射图样。本实用新型利用谐振腔对光进行调制，形成二维的衍射条纹。可以在JJY型分光计测量衍射条纹的衍射角，可以精确测量声波的波长和在液体介质中的波速。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种实验装置，具体涉及一种谐振声场的声光衍射实验装置。
背景技术
常用的声光衍射装置是利用平面声波使液体介质的密度周期性的分布导致介质折射率也周期性变化。液体介质相当于一个相位光栅。激光光源发出的光波从液体介质中穿过时，其相位受到声波作用的调制，使从液体介质中透射出来的光因相干叠加而形成衍射条纹。一维的平面声波与激光相互作用后，投射到屏上形成衍射直条纹。现有的声光衍射装置只是针对平面声波形成的一维相位光栅，不能用于二维声波与光波的相互作用，获得二维的衍射图样。
实用新型内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本实用新型的目的在于提供一种谐振声场的声光衍射实验装置，以解决现有技术中存在的至少一个缺陷。
为实现上述目的及其他相关目的，本实用新型提供一种谐振声场的声光衍射实验装置，包括：
光源；
光学准直扩束组件，用于将所述光源发出的光耦合到谐振腔中；
谐振腔，用于对所述光学准直扩束组件的出射光的相位进行调制；
透镜，用于将谐振腔出射的光聚焦到观测屏上，在所述观测屏上形成二维声光衍射图样。
可选地，所述光学准直扩束组件包括：第一透镜和第二透镜，所述光源、所述第一透镜、所述第二透镜依次设置；所述第一透镜对所述光源发出的光进行聚焦，所述第二透镜将所述第一透镜的出射光转换成平面光波并耦合进所述谐振腔中。
可选地，所述光源设置于所述第一透镜的焦点处。
可选地，所述第一透镜的焦距小于所述第二透镜的焦距。
可选地，所述第一透镜为凸透镜，所述第二透镜为凸透镜或凹透镜。
可选地，所述谐振腔内具有液体介质，所述谐振腔的内表面设置有超声换能器。
可选地，所述谐振腔为具有开口的圆柱腔或球形腔，所述平面光波经所述开口进入到所述谐振腔内。
可选地，所述透镜组件包括一凸透镜。
可选地，所述光源为点光源。
如上所述，本实用新型的一种谐振声场的声光衍射实验装置，具有以下有益效果：
本实用新型的一种谐振声场的声光衍射实验装置，包括：光源；光学准直扩束组件，用于将所述光源发出的光耦合到谐振腔中；谐振腔，用于对所述光学准直扩束组件的出射光的相位进行调制；透镜，用于将谐振腔出射的光聚焦到观测屏上，在所述观测屏上形成二维声光衍射图样。本实用新型利用谐振腔中的谐振二维或三维谐振声场对光的相位进行调制，形成二维的声光衍射条纹。可以在JJY型分光计测量衍射条纹的衍射角，可以精确测量声波的波长和在液体介质中的波速。
附图说明
图1为本实用新型一实施例中一种谐振声场的声光衍射实验装置的示意图；
图2为本实用新型一实施例中球形谐振腔的示意图；
图3为理论计算的二维衍射条纹的分布。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本实用新型的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点与功效。本实用新型还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本实用新型的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本实用新型的基本构想，遂图式中仅显示与本实用新型中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
平面波是声波传播最为简单的形式，一般的声光衍射装置是对液槽中的平面声波进行测量和表征。现有的声光衍射实验装置均是基于平面声波的声光衍射，不能用于二维声波与光波的相互作用，获得二维的衍射图样。针对上述问题，本申请实施例提供一种谐振声场的声光衍射实验装置，如图1所示，该实验装置包括：
光源1；
光学准直扩束组件，用于将所述光源发出的光耦合到谐振腔中；
谐振腔4，用于对所述光学准直扩束组件的出射光的相位进行调制；
透镜5，用于将谐振腔出射的光聚焦到观测屏6上，在所述观测屏上形成二维声光衍射图样。
在一些实施例中，所述光学准直扩束组件包括：第一透镜2和第二透镜3，第一透镜的焦距为f1，第二透镜的焦距为f2，
所述光源(光源可以用点光源)、所述第一透镜、所述第二透镜依次设置；所述第一透镜对所述光源发出的光进行聚焦，所述第二透镜将所述第一透镜的出射光转换成平面光波并耦合进所述谐振腔中。
在一些实施例中，所述光源设置于所述第一透镜的焦点处。
在一些实施例中，所述第一透镜的焦距小于所述第二透镜的焦距。
在一些实施例中，所述第一透镜为凸透镜，所述第二透镜为凸透镜或凹透镜。
在一些实施例中，所述谐振腔内具有液体介质(液体介质可以是水)，所述谐振腔的内表面设置有超声换能器，超声换能器固定在谐振腔的内壁上。所述谐振腔为具有开口的圆柱腔或球形腔，所述平面光波经所述开口进入到所述谐振腔内。
谐振腔可以设置于充满液体介质的液体槽内，液体介质经过谐振腔的开口进入到谐振腔内，使谐振腔内充满液体介质。也可以在谐振腔内填充满液体介质，而不必将整个谐振腔放置在液体槽内。
谐振腔可为圆柱腔，可以沿圆柱体的长度方向在圆柱体中设置一贯穿整个圆柱体的光通道形成圆柱腔；谐振腔也可为球腔，可沿球体的直径在球体中设置一贯穿整个球体的光通道(中轴线与球体的直径重合)形成球腔。平面光波经谐振腔的其中一个开口进入到谐振腔内，由另一个开口从谐振腔中出射。
固定在谐振腔内表面的超声换能器，发射的柱面超声波在谐振腔内被反射后，因叠加而形成驻波声场；若谐振腔为圆柱腔，则形成圆柱面驻波声场，若谐振腔为球腔，则形成球面驻波声场(如图2所示)。圆柱腔或球腔内的液体介质在驻波声场的作用下，使液体介质折射率周期性分布，相当于形成一个二维相位光栅。当光源发射的光波穿过谐振腔时，其相位受到驻波声场的调制，从谐振腔中出射后，由透镜组件(凸透镜L3，焦距为f3)聚焦到观测屏上，因相干叠加而形成二维的声光衍射图样。
在对衍射条纹进行精确测量时，将谐振腔置于JJY型分光计上，在分光计的望远镜的视场中的分划板上观察到不同级次衍射条纹的衍射角，并通过分光计的计数机构，可以精确测量各级衍射条纹的衍射角，从而计算光波的波长或在液体中的声速。
可以参考下述方法计算光波的波长或在液体中的声速：
柱面超声换能器激励的超声波可表示为
其中p0,r,ωs和ks分别为超声换能器表面发射声压，位置矢径，声波频率和声波波矢。
超声波被腔内壁反射后叠加形成柱面超声驻波场，其波函数表示为
此时腔内的声压沿圆柱径向可用贝塞尔函数表示为ps(r)＝J0(2πfs r/cs)。柱面超声驻波使液体介质的密度周期变化，因而介质的折射率也周期变化
其中，n0为液体介质初始折射率，n(r,t)为声波作用时液体介质的折射率，Δn表示声波引起的折射率的变化，是声压的函数。
不考虑光波的初相，入射光波的光振动(光波在不同时刻、不同位置处时的振幅大小)可表示为E(z,t)＝E0cos(ωit-kiz)，其中E0，ωi和ki为光波的振幅，频率和波数。光波从圆柱端口入射进入周期变化的液体介质后，在出射端面上的光场可写成
Eo＝E0cos[ωi(t-n(r,t)l/c)] (4)
l是声光相互作用长度，c是光速。
观测屏上任意的P点处的光振动Ep为出射端面上的所有光波在P点处的相干叠加，即：
Ep为p点处的光振动，θ为衍射角，R为圆柱腔或球腔光出射端口的开口半径。
积分后得到各级：
J2m(v)表示参数为v的2m阶的贝塞尔函数。
因此，P点处的光强
观测屏上的光强分布形成的衍射条纹如图3所示。衍射条纹为一组同心圆环，在分光计上可以测出不同圆环的偏角
对于两端开口的球形腔，可以得到如图3相同的二维衍射图样。
由光栅衍射可知：dsinθ＝kiλi，
其中，λi为光波长，d为光栅常数，在这里即是柱面声驻波或球面声驻波的波长，而驻波波长为原入射声波波长的一半，即d＝λs/2。因此，原声波波长：
λs＝2kiλi/sinθ (6)
通常衍射角
都很小，可利用sinθ≈tanθ≈θ。超声换能器的激励频率由输入激励电信号决定，即超声波的频率fs，则声波在液体介质中的声速v＝λsfs。
上述实施例仅例示性说明本实用新型的原理及其功效，而非用于限制本实用新型。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本实用新型的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本实用新型所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本实用新型的权利要求所涵盖。
Claims (9)
1.一种谐振声场的声光衍射实验装置，其特征在于，包括：
光源；
光学准直扩束组件，用于将所述光源发出的光耦合到谐振腔中；
谐振腔，其内可形成驻波声场，用于对所述光学准直扩束组件的出射光的相位进行调制；
透镜组件，用于将谐振腔出射的光聚焦到观测屏上，在所述观测屏上形成二维声光衍射图样。
2.根据权利要求1所述的谐振声场的声光衍射实验装置，其特征在于，所述光学准直扩束组件包括：第一透镜和第二透镜，所述光源、所述第一透镜、所述第二透镜依次设置；所述第一透镜对所述光源发出的光进行聚焦，所述第二透镜将所述第一透镜的出射光转换成平面光波并耦合进所述谐振腔中。
3.根据权利要求2所述的谐振声场的声光衍射实验装置，其特征在于，所述光源设置于所述第一透镜的焦点处。
4.根据权利要求2所述的谐振声场的声光衍射实验装置，其特征在于，所述第一透镜的焦距小于所述第二透镜的焦距。
5.根据权利要求2～4任意一项所述的谐振声场的声光衍射实验装置，其特征在于，所述第一透镜为凸透镜，所述第二透镜为凸透镜或凹透镜。
6.根据权利要求2所述的谐振声场的声光衍射实验装置，其特征在于，所述谐振腔内具有液体介质，所述谐振腔的内表面设置有超声换能器。
7.根据权利要求2所述的谐振声场的声光衍射实验装置，其特征在于，所述谐振腔为具有开口的圆柱腔或球形腔，所述平面光波经所述开口进入到所述谐振腔内。
8.根据权利要求1所述的谐振声场的声光衍射实验装置，其特征在于，所述透镜组件包括一凸透镜。
9.根据权利要求1所述的谐振声场的声光衍射实验装置，其特征在于，所述光源为点光源。
Priority Applications (1)
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| CN202120326478.9U CN214251251U (zh) | 2021-02-04 | 2021-02-04 | 一种谐振声场的声光衍射实验装置 |
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| CN214251251U true CN214251251U (zh) | 2021-09-21 |
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Family Applications (1)
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| CN202120326478.9U Active CN214251251U (zh) | 2021-02-04 | 2021-02-04 | 一种谐振声场的声光衍射实验装置 |
Country Status (1)
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