ДИФРАКЦИЯ СВЕТА НА УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ВОЛНЕ

Выше неоднократно отмечалось, что ультразвуковая волна представляет собой сжатия и разрежения, распространяющиеся в упругой среде. Можно ли непосредственно с помощью соответствующего эксперимента доказать это утверждение?

Пусть ультразвуковая волна распространяется в жидкости. Тогда в областях сжатия плотность жидкости возрастает, а в областях разрежения - уменьшается. Чем выше плотность жидкости, тем больше ее показатель преломления, характеризующий так называемую оптическую плотность. Таким образом, распространение ультразвуковой волны приводит к периодическому - в пространстве и во времени - изменению показателя преломления жидкости. Однородная жидкость под действием ультразвука становится оптически неоднородной. Один из основных законов оптики утверждает, что свет в однородной среде распространяется прямолинейно. В оптически неоднородной среде при распространении света в общем случае наблюдается явление дифракции - отступление ит прямолинейности распространения света. Следовательно, если в эксперименте удастся обнаружить дифракцию света на оптических неоднородностях, обусловленных прохождением ультразвука через жидкость, тем самым будет доказано существование этих неоднородностей или, иными словами, непосредственно будет доказано, что ультразвуковая волна представляет собой сжатия и разрежения, распространяющиеся в жидкости.

Получить такое экспериментальное доказательство можно с помощью установки, оптическая и акустическая схема которой изображена на рис. 88. В фокальной плоскости линзы L, расположен линейный источник света, параллельный фронту ультразвуковой волны, распространяющейся в кювете с жидкостью. Через кювету проходит параллельный световой пучок, собираемый линзой L2 на белом экране Э, расположенном в ее фокальной плоскости.

В отсутствие ультразвука жидкость в кювете однородна, и согласно законам геометрической оптики линия S на экране является изображением линейного

источника 5. Если на ультразвуковой волне происходит дифракция света, то при включении ультразвука вокруг изображения источника света $> на экране Э должна наблюдаться соответствующая дифракционная картина. Выясним, какую дифракционную картину следует ожидать на экране.

Если в жидкости перпендикулярно к световому пучку распространяется ультразвуковая волна, то в ней возникают отстоящие друг от друга на длину волны области сжатий и соответственно разрежений. Поскольку скорость света в жидкости значительно превышает скорость звука, сжатия и разрежения среды можно считать неподвижными. Таким образом, для

Рис. 88. Схема установки для наблюдения дифракции света на ультразвуковой волне.

Магнитострикционный излучатель ультразвука высокой частоты может быть расположен как внутри, так и вне кюветы (в последнем случае должен быть обеспечен акустический контакт между вибратором и стенкой кюветы).

света кювета с жидкостью, в которой возбужден ультразвук, представляет собой периодическую в пространстве структуру изменений показателя преломления. Световые волны, проходя через области сжатия, имеющие больший показатель преломления, отстают от волн, проходящих через области разрежения с более низким показателем преломления. В результате, если на жидкость в кювете падает плоская световая волна, из кюветы выходит волна, имеющая сложный фронт, периодически изменяющийся в направлении распространения ультразвука.

Обычная дифракционная решетка, которую вы изучаете в школьном курсе физики, состоит из параллельных равноотстоящих друг от друга щелей, разделенных непрозрачными промежутками. Такая решетка

не изменяет фронта световой волны: если на нее падала плоская волна, то непосредственно за решеткой она остается плоской. Однако амплитуда световой волны после прохождения дифракционной решетки Изменяется: она становится равной нулю за непрозрачными промежутками решетки и остается прежней за щелями. Таким образом, обычная дифракционная решетка приводит к периодическому изменению амплитуды световой волны вдоль ее фронта (если пло-чжая световая волна падает на решетку нормально). Такую дифракционную решетку принято называть амплитудной.

Если монохроматический свет проходит через амплитудную решетку, то дифракционная картина на экране представляет собой семейство изображений источника света, отстоящих друг от друга на одинаковые расстояния (предполагается, что наблюдения производят на установке, собранной по схеме рис. 88, в которой вместо кюветы с жидкостью находится дифракционная решетка). Эти изображения называются главными максимумами дифракционной картины. Положение их на экране определяется хорошо известной формулой

dsinq>k = klc, 6 = 0, ±1, ±2, (53)

где d-период дифракционной решетки, ерь. - направление на k-й максимум интенсивности (угол между максимумом нулевого и k-то порядка), Кс - длина световой волны.

Ультразвуковая волна изменяет фронт световой волны, проходящей через жидкость. Вспомнив, что фронтом волны называется поверхность равной фазы, заключаем, что наличие ультразвука в кювете с жидкостью приводит к периодическому изменению фазы вдоль «условного фронта» световой волны. Любая волна, в том числе и световая, характеризуется тремя параметрами: амплитудой, фазой и частотой. Поскольку волна - единый реальный процесс, трудно допустить, что периодическое изменение одного из этих параметров не влечет за собой соответствующего изменения двух других. Поэтому разумно предположить, что раз устройство, периодически изменяющее ампли-ТУДУ световой волны вдоль ее фронта, является