PHY17 Akustooptische Modulation an stehenden Ultraschallwellen

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).

Messkurve zur Bestimmung der Schallgeschwindigkeit

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.