超声光栅是一种特殊的光栅，在大学物理实验教学中，在光信息实验中，在研究声对光的调制中，有着特殊的作用。
超声光栅的原理如图1所示，它由高频信号发生器、频率计、频率调节器、超声换能器、液体介质和液槽组成。各部分的作用如下：高频信号发生器产生一个超声频率的交变电压信号，频率计是用来测量这个交变信号频率的，而调节器则可以在一定范围内改变交变电压信号的频率和振幅。超声换能器可以将高频交变电压信号转变为同频率的机械振动，从而产生超声波发射出去。超声波必须对液体介质作用才能形成超声光栅，液槽是用来装载液体的，并且可以提供超声波的反射面，以便于形成超声驻波。概率论发展简史
超声光栅的形成机理是：超声波在液体中时以弹性纵波的形式传播，它使液体的密度在超声波传播方向上发生周期性的大小变化，即密度呈现“密集——稀疏——密集…”的周期性变化，从而使液体的折射率也发生周期性变化。当有光线垂直于声波传播方向通过液体时，不同位置的光波经历的光程不同，原来是平面波的光波经过液体后，平面波变为弯曲的非平面波，与位相光栅对光的作用相类似，如图2所示。这种有超声波场的液体就被称为超声光栅，光线通过超声光栅时也会发生光栅衍射现象，此种衍射被称为声光衍射。超声光栅的光栅常数就是液体折射率在空间变化的周期，即超声波的波长。
声光衍射同样满足光栅方程：
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上式中λs为超声波波长，λ为光波波长，θk为第k级衍射光的衍射角。
超声光栅与普通刻线光栅或全息光栅的不同之处主要有两点：第一是光栅形成的机理不同；第二是普通的光栅其光栅常数是固定不变的，而超声光栅的光栅常数是随超声波的波长变化的。超声波在液体中形成超声光栅的模式有两种，一种是超声行波光栅，另一种是超声驻波光栅。当液体内只有换能器发射的超声波时，形成的超声光栅称为行波光栅，其结构如图3（a）所示，在换能器的对面安装有吸收声波的材料，液体中只有换能器发射的超声波，没有反射波。行波光栅的栅面在空间是随时间移动的。驻波光栅的结构如图3（b）所示，在换能器的对面有声波的反射面，液体中有换能器的发射波和反射面的反射波，当发射波与反射波叠加且满足驻波形成的条件时，就会形成超声驻波，从而形成超声驻波光栅，驻波光栅光栅的栅面在空间的位置是固定的。驻波的振幅是发射波的2倍，将使液体的折射率发生更强的变化，从而使通过超声光栅的光波发生更强的衍射。
平等王由于超声驻波使液体密度的疏密变化更强，对光的衍射效果也更强，所以，通常实验研究中都采用超声驻波光栅。形成超声驻波的条件是：（1）发射波与反射波互相平行，使其能够叠加。实验中采用调节换能器发射面与玻璃液槽内表面（即超声波的反射面）互相平行来满足这个条件。（2）发射面到反射面的距离刚好是超声波半波长的整数倍，即换能器表面到玻璃槽内表面距离要可以调节。下面对超声光栅设计制作的几个主要问题介绍如下：
一、高频信号发生器
高频信号发生器可以用模拟电路或数字电路产生超声频率的高频交变电压信号，信号的频率和电压大小要与超声换能器匹配。一般大学物理实验中使用的超声光栅其超声波频率在8-11MHz左右，能够观察到的衍射光斑左右各有3级就可以了，这种高频信号发生器可以采用最简单的电容三点式振荡电路，也可以用西勒振荡电路或者用克拉沷电路。一个简易的高频振荡电路如图4所示。图中Q1为为大功率高频三极管，有足够的放大倍数和功率，可以直接推动超声换能器。电容C2可以在较大范围调节振荡频率，Y1为超声换能器，此电路把换能器直接作为一个电容元件看待，而不是当做电路的负载。该电路在8MHz到12MHz都可以输出稳定的正弦型振荡波形，可以使超声光栅产生±3级的衍射光斑，基本上可以满足实验教学的需要。如果需要观察更多的衍射级次，
则超声波发生器的功率需要更大一些，可以在振荡电路之后增加一级高频功率放大电路，但注意其输出功率要与超声换能器匹配。
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二、换能器
图4简易高频振荡电路
超声换能器是超声光栅的一个重要元件，通常采用压电陶瓷片来做换能器，压电陶瓷可以用钛酸钡BT、锆钛酸铅PZT、改性锆钛酸铅、偏铌酸铅、铌酸铅钡锂PBLN、改性钛酸铅PT等材料。陶瓷片的形状可以是圆形，也可以是矩形。换能器通常工作在谐振频率上，这时振动幅度最大，发射的超声波最强，故设计时要考虑到换能器谐振频率是否与实验要求的频率相符合，并且要与高频信号发生器产生的高频信号频率相匹配。压电陶瓷片可以直接粘贴在基板上，称为钢性背衬，也可以做成空气背衬，即在换能器的后背做一个空气的空腔，以减小换能器振动时的阻力，空气背衬在转换高频电压为超声波时的效率更高一些。换能器的连接导线焊接接时，焊点要尽量小，以免影响换能器的谐振频率。换能器要安装在一个支架上面，放在液槽上后，要能够调节换能器发射面与反射面的平行度和距离，以满足形成超声驻波的条件。超声换能器如图5所示。 图5超声换能器
三、液槽
液槽的作用不仅是液体的容器，在形成超声驻波时，液槽的内表面是超声波的一个反射面，反射能力要强，因此，内表面必须光滑。在做声光衍射实验时，在垂直于超声波传播的方向上有光线照射通过，因此，这个方向上必须有透明的地方。早期的液槽多用金属腔体粘贴玻璃片的方式，加工较为复杂，现在大多采用玻璃片粘贴成的液槽，如图6所示。玻璃片要选择质量较好的平板玻璃或光学玻璃，玻璃片的厚度要均匀，尺寸要准确，四周要在磨床上精密加工。粘接时要用专门的夹具固定，以保证玻璃片的互相平行和垂直。平行度不好的液槽，在衍射时会产生多余的衍射光斑。如果反射面与换能器发射面不平行，则不能形成超声驻波，所以，玻璃液槽的四个周边，对边要互相平行，相邻边要互相垂直，并且与底面要垂直，形位公差要达到6到7级精度。如果要做不同温度下的声光衍射实验，还要求液槽能够承受较高的温度，因此，玻璃的粘接剂要采用能够承受高温并且耐水的粘接剂，比如紫外
光固化的厌氧胶等。
图6液槽与换能器
四、频率计
频率计是用来测量高频信号频率的，要求能够将正弦型的波形整形成脉冲方波，并能够进行适当放大以推动频率计工作，通常采用数字电路和LED7段数字显示器做成的频率计。显示的精度可以根据需要设计。
正在调试试验的超声光栅仪器如图7所示，机箱上面右边有黑旋钮的是振荡电路板，左边
有四位数字显示的是频率计板，液槽中的换能器通过白导线与机箱上的接线柱联在一起，振荡电路正在工作，此时振荡频率为7.88MHz。 图7调试中的超声光栅仪coq10
超声光栅提供了一种用声波调制光波的方法，对于研究声波、光波在液体中的传播和互相作用，是一个很有价值的仪器。
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