超声光栅
Ultrasonic Grating
在我们的印象里，光栅一般是刻有大量平行、等宽且等间距狭缝的平面玻璃或金属片，它利用单缝衍射和多缝干涉原理在接收屏上形成明亮而细锐的光栅衍射条纹。可你能否想象，除了玻璃和金属等固体外，我们常见的水和油等液体，也能作为光栅，对光线产生衍射作用呢？实验表明，把超声波加在液体上，在合适条件下，就可以形成类似于光栅的结构而对光产生衍射作用。超声作用在液体上形成的光栅，称为超声光栅。下面我们来看看，这种液体超声光栅是如何对光有衍射作用的。
实验装置
FB720型声光效应与激光超声光栅实验仪1套。实验仪的结构如图1所示，水槽中装有纯净水。
图1 超声光栅实验仪
现象观察
1.声场光栅结构的观察
将频率为800kHz的低频超声探头浸入水中距离上表面几毫米深处，使探头平行于水槽的底部。按图2所示的光路图连接实验仪器，调整激光器、扩束镜和凸透镜同轴。激光器产生的激光，经扩束镜扩束后平行入射凸透镜，激光经凸透镜散射后穿过水槽，投影到白屏上。打开超声波发生器，可以看到在超声探头的作用下，水槽内的水产生波涟，调整到合适的振幅和超声频率后，在屏幕上观察到如图2右侧所示的清晰的声场光栅投影，该投影非常类似于普通光栅的衍射图案。
图2 声场光栅演示实验光路图及实验图像（右侧）
2.超声光栅衍射现象的观察
我们已观察到低频超声作用下声场光栅的衍射现象。为使衍射现象更明显，则需要更高频率的超声波形成光栅常数更小的超声光栅。
我们把凸透镜撤掉，探头换用频率为10MHz的高频超声探头，实验光路图如图3所示。激光经扩束镜后，成为平行入射激光。该激光经过高频超声作用下形成的超声光栅后，就会在接收屏上看到如图3右侧所示的衍射图样。
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图3 超声光栅衍射演示实验光路图及实验图像（右侧）
现象解密
超声波是一种弹性应力波，当它在液体中传播时，会使液体产生弹性形变，引起液体的伸张和压缩，从而使得液体内部产生疏密的层次变化。当超声波从水的上表面进入，经过水槽底部的反射后，反射波同入射波相叠加，在合适的超声频率条件下，就会在水槽内形成稳定的驻波。驻波形成后，水槽内的水便形成了疏密相间的不同层次，如图4所示。因为介质的折射率同介质的密度成正比，所以在超声作用下水密度的周期性变化，必然导致其折射率也发生周期性变化。
图4 超声光栅形成和拉曼-奈斯衍射
研究发现，当频率很高（超过100MHz）、水体较大时的衍射为布拉格衍射；而频率较低（10MHz左右）、水的体积不是很大时的衍射为拉曼-奈斯衍射，这时候的光栅属于位相光栅，也就是我们这个实验所看到的超声光栅。
因为光波的波速是声波声速的10万倍，所以光波垂直穿过超声场的这段时间内，水的密度在空间的分布可以认为是静止不变的；而水的疏密度在空间上的周期性变化，使折射率也相应地发生周期性变化，所以光在其中不同区域的传播速度也发生了变化，整个水体可以等效为一个平面相位光栅。光波通过它时，只受相位调制，即通过稀疏区的光波波阵面将超前，而通过压缩区的波阵面将落后。这样，平面波阵面穿过超声光栅后，变成了褶皱波阵面，如图4所示。根据惠更斯－菲涅尔原理，褶皱波阵面上的各子波源发出的次波将发生相干作用，从而形成了与入射方向对称分布的多级衍射现象。这种衍射就是拉曼－奈斯衍射。
应用拓展
超声光栅可以用来测定液体介质中超声波的声速。在上面的演示实验中，如果声波的频率、入射激光的波长是已知的，那么只需测出水槽到屏的距离和屏上衍射条纹的宽度，就可以方便地计算出液体中的声速大小。超声光栅的光栅常数和位相调制深度可以通过超声信号的频率和振幅来控制，超声信号关闭后，超声光栅可以很快消失，是一种可擦除的实时光栅，利用它产生的多普勒效应可应用于外差干涉测量等领域。激光技术的发展，使得超声光栅成为控制光的强度和传播方向的实用方法之一。
除了在超声光栅上的应用，超声波因其波长较短，有良好的方向性和穿透力，已被广泛应用于探伤、测厚、遥控和超声成像等领域，尤其是超声成像技术已经在医学上占有重要的地位。另外，还可以利用超声波的机械作用、空化作用和热效应等，进行超声焊接、钻孔、粉碎固体颗粒、除尘去污、超声清洗等。
图5 超声波的一些应用
思考题
1.列举你所知道的超声波在日常生活中的应用。
2.想一想如何利用超声光栅来测液体中的声速？
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