Пензенский Государственный Университет

Кафедра Приборостроение

Отчёт по лабораторной работе №1

«ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ

АКУСТООПТИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СВЕТОВЫХ ВОЛН»

Принял

К.т.н. профессор Капезин С.В.

Выполнил

студент группы 09ПП1

Борисов А.

2011

Цель работы: изучить физические основы работы пространственно-временных акустооптических модуляторов, экспериментально определить значения параметров акустооптического преобразования оптикоэлектронным способом.

Методика выполнения работы

1. Изучить физические основы работы пространственно-временных акустооптических модуляторов света.

В основе работы акустооптических устройств лежит взаимодействие звуковых и световых волн, в результате которого происходят модуляция или отклонение светового потока. Распространяющаяся ультразвуковая волна сопровождается механическими напряжениями среды. Вследствие эффекта фотоупругости, который присущ всем твердым и жидким телам, механические напряжения вызывают деформацию атомов и молекул среды, что приводит к изменению диэлектрической проницаемости и, следовательно, к изменению показателя преломления.

В результате распространения акустической волны в звукопроводе образуются периодические слои с отличающимися показателями преломления, движущиеся со скоростью звука . Период слоистой структуры равен длине ультразвуковой волны λ_зв. Эта периодическая структура играет роль дифракционной решетки для световой волны.

Если плотность энергии упругой деформации

где С - модуль упругости; S - амплитуда деформаций; p_зв - плотность материала звукопровода, то акустическая мощность,излучаемая пъезопрербразователем в звукопровод

где - ширина и длина звукового столба, излучаемого пъезопреобразователем.

Приращение показателя преломления, вызываемое ультразвуковой волной, будет

где - упругооптическая постоянная.

Изменение показателя преломления приводит к изменению оптической длины пути в кристалле и, таким образом, к изменению фазы световой волны на величину

где - длина световой волны в звукопроводе; - индекс фазовой модуляции.

Если длина звуковой волны велика, направление падающего света параллельно фронтам акустической волны и его путь через звукопровод мал ( ), то падающий свет разделяется на много пучков различного порядка m(m=0, ±1, ±2…) углы между которыми определяются соотношением

.

Этот вид дифракции получил название дифракции Рамана-Ната (рис. 1). Длина волны ультразвука при заданной частоте однозначно определяется скоростью распространения.

2.Изучить влияние различных факторов на скорость звука.

Скорость звука – скорость перемещения в среде упругой волны при условии, что форма ее профиля остается неизменной. В газах и жидкостях звук распространяется в виде объемных волн разрежения-сжатия.

Скорость звука в газах меньше, чем в жидкостях, а в жидкостях, как правило, меньше, чем в твердых телах. В табл. 2 приведены значения скорости звука для некоторых газов, жидкостей и твердых тел.

Скорость звука в идеальных газах при заданной температуре не зависит от давления и растет с ростом температуры как VT.

Изменение скорости звука, отнесенное к одному градусу, равно .

При комнатной температуре относительное изменение скорости звука в воздухе при изменении температуры на 1°С составляет примерно 0,17%. В жидкостях скорость звука, как правило, уменьшается с ростом температуры, и изменение температуры на 1°С составляет, например, -5,5 м/с·град для ацетона и -3,6 м/с·град для этилового спирта. Исключением из этого правила является вода, в которой скорость звуке при комнатной температуре увеличивается с ростом температуры на 2,5 м/с·град, и достигает максимума при температуре ≈ 74°С. Скорость звука в воде растет с увеличением давления примерно на 0,01% на 1 атм. Кроме того, скорость звука в воде растет с увеличением содержания растворенных в ней солей. В морской воде скорость звука зависит от температуры, солености и глубины. Эти зависимости имеют сложный вид. Поскольку температура, давление, а иногда и соленость меняются по глубине, то звуковые волны, рзспространяющиеся в море, искривляются, что определяет, в частности, такое явление, как подводный звуковой канал.

В сжиженных газах скорость звука больше, чем в газе при той же температуре. Скорость звука в смесях газов или жидкостей зависит от концентрации компонент смеси. В газовых смесях скорость звука зависит от молекулярного веса смеси. В жидких смесях зависимость скорости звука от концентрации компонент имеет довольно сложный характер, который связан с видом молекулярных взаимодействий. В водных растворах солей скорость звука растет с ростом концентрации во всем интервале концентраций.

Таким образом, измерения скорости звука могут служить для определения концентрации компонент смесей и растворов.

3. Изучить оптические методы измерения скорости звука.

Оптические методы позволяют измерять скорость на звуковых частотах вплоть до 10¹¹…10¹² Гц. При измерении скорости звука оптическим методом используется эффект дифракцци света на ультразвуке. Точность измерения скорости звука зависит от того, надо ли получить, абсолютные значения скорости звука или же можно ограничиться измерениями скорости, звука при изменении каких-либо внешних параметров, например, в зависимости от температуры или магнитного поля или же в зависимости от наличия примесей и дефектов.

Измерения скорости звука используют для определения многих свойств вещества, таких, как величина отношения теплоемкости для газов, сжимаемости газов и жидкостей. Измерение малых изменений скорости звука является чувствительным методом определения наличия примесей в газах и жидкостях. Ряд контрольно-измерительных применений ультразвука в технике основан на измерениях скорости звука.