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PHY
Artikel-Nr. VK-PHY17

PHY17 Akustooptische Modulation an stehenden US-Wellen

Untersuchung des akustooptischen Effektes der Amplituden- und Phasenmodulation von Licht, das an einer stehenden Ultraschallwelle gebeugt wird

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Gegenstand des Versuchs

Es wird der akustooptische Effekt der Amplituden- und Phasenmodulation von Licht untersucht, das an einer stehenden Ultraschallwelle gebeugt wird. Der Effekt wird verwendet, um die Schallgeschwindigkeit in Wasser zu bestimmen.

Keywords: akustooptischer Effekt, stehende Ultraschallwelle, Schallwellenlänge, Beugung, optisches Gitter, Gitterkonstante, Amplitudenmodulation, Phasenverschiebung

Theoretische und praktische Aspekte zum Versuch

Entsprechend dem Debye-Sears-Effekt (PHY11) wird Licht an einer stehenden oder laufenden Ultraschallwelle in einer Flüssigkeit oder einem Festkörper gebeugt. Die bei der Beugung an einer stehenden Ultraschallwelle erzeugten Beugungsmaxima sind amplitudenmoduliert, wobei zwischen dem Maximum 0-ter und einem n-ter Ordnung eine Phasenverschiebung von 180° auftritt. Dieser Effekt wird in akustooptischen Modulatoren (AOM) genutzt. Mit Hilfe von Photodioden und einem Oszilloskop lassen sich Amplitudenmodulation und Phasenverschiebung nachweisen.
Eine Veränderung der Schallfrequenz beeinflusst die Modulationsamplitude. Dabei ist die Modulationsamplitude immer dann am größten, wenn der Abstand h zwischen Ultraschallwandler und Schallreflektor einem Vielfachen m der halben Schallwellenlänge entspricht. Dies ermöglicht eine Bestimmung der Schallgeschwindigkeit c im Medium nach c = 2 h Δf / Δm (Δf: Frequenzdifferenz zwischen maximalen Modulationsamplituden).

Ergebnis

Zur Bestimmung der Schallgeschwindigkeit in Wasser wird die 0-te Beugungsordnung auf eine Photodiode justiert und eine erste maximale Amplitude gesucht. Danach werden die Schallfrequenz schrittweise erhöht und die Frequenzen der folgenden maximalen Amplituden bestimmt. Für die im Diagramm aufgetragenen Messpunkte ergibt sich eine Schallgeschwindigkeit in Wasser von (1498 ±7) m/s (T = 25 °C). Zur Bestimmung der Phasenverschiebung wird der Laserstrahl mit einem Strahlteiler geteilt. Der zweite Teilstrahl wird so auf eine zweite Photodiode justiert, dass mit ihr ein weiteres Beugungsmaximum erfasst wird. Am Oszilloskop kann dann die Phasenverschiebung zwischen den beiden unterschiedlichen Beugungsordnungen bestimmt werden.

Messkurve zur Bestimmung der Schallgeschwindigkeit

Messkurve zur Bestimmung der Schallgeschwindigkeit

Lieferumfang
Artnr.Bezeichnung
20100CW-Generator SC600
20200Debye-Sears-Set
20301Strahlteiler
203022 justierbare Spiegel
203032 Photodioden­empfänger
Oszilloskop (nicht im Lieferumfang enthalten, wird für das Experiment gebraucht)
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