雙光柵微弱振動測量實(shí)驗(yàn)報告

1、雙光柵微弱振動測量實(shí)驗(yàn)【目的要求】1熟悉利用光的多普勒頻移形成光拍的原理，掌握精確測量微弱振動位移的方法。2做出外力驅(qū)動音叉時的諧振曲線。【儀器用具】雙光柵微弱振動測量儀、數(shù)字示波器【原 理】1. 位相光柵的多普勒頻移：多普勒效應(yīng)：由于波源和觀察者之間有相對運(yùn)動，使觀察者感到頻率發(fā)生變化的現(xiàn)象，叫做多普勒效應(yīng)。當(dāng)波源和觀察者之間距離減小時，觀察者接收到波的頻率升高，當(dāng)波源和觀察者之間距離增大時，觀察者接收到波的頻率降低。當(dāng)激光平面波垂直入射到位相光柵（衍射光柵）上時，由于光柵的衍射干涉作用而發(fā)生衍射，在遠(yuǎn)場（無限遠(yuǎn)處或透鏡的焦平面上）形成衍射圖樣，衍射角由光柵方程表示： （1） 如果由于光柵在

2、y方向以速度移動著，則出射的衍射波的波陣面也以速度在y方向移動。在不同時刻，對應(yīng)于同一級的衍射光線，它的波陣面上的一點(diǎn)，在y方向有的位移量，即衍射圖樣在y方向有的位移量，這個位移量相當(dāng)于光波產(chǎn)生了的光程差，相應(yīng)的相位的變化量為：由光柵方程得：式中：。光波寫成如下形式：則移動的位相光柵的級衍射光波，相對于靜止的位相光柵有一個的多普勒頻率。2光拍的獲得與檢測： 光的頻率非常高，為了要從光頻中檢測出多普勒頻移量，必須采用“拍”的方法。即把已頻移的和未頻移的光束互相平行迭加，形成光拍。本實(shí)驗(yàn)形成光拍的方法是采用兩片完全相同的光柵平行緊貼，一片B靜止（固定在底座上），另一片A相對移動（固定在音叉上隨音叉

3、振動而上下運(yùn)動）。激光通過雙光柵后各自形成衍射光波在光柵后還要相互疊加，在遠(yuǎn)場為兩種以上平行光束的迭加。移動的光柵A起頻移作用，而靜止不動光柵B起衍射作用，故通過雙光柵后出射的衍射光包含了兩種以上不同頻率而又平行的光束，由于雙光柵緊貼，激光束具有一定寬度故該光束能平行迭加，這樣就直接而又簡單地形成了光拍。當(dāng)此光拍訊號進(jìn)入光電檢測器，由于檢測器的平方律檢波性質(zhì)，其輸出光電流可由下述關(guān)系求得：光束1： 光束2： （?。?光電流： （為光電轉(zhuǎn)換常數(shù)）因光波頻率甚高，不能為光電檢測器反應(yīng)，所以光電檢測器只能檢測出第三項(xiàng)拍頻訊號,即： 光電檢測器能測到的光拍訊號的頻率為拍頻 其中為光柵密度，本實(shí)驗(yàn)。3.

4、 微弱振動位移量的檢測：與光頻率無關(guān)，且當(dāng)光柵密度為常數(shù)時，只正比于光柵移動速度，如果把光柵A粘在音叉上，則是周期性變化的。所以光拍信號頻率也是隨時間而變化的，微弱振動的位移振幅為：，式中T為音叉振動周期，可直接在示波器的熒光屏上計算波形數(shù)而得到，因?yàn)楸硎綯/2內(nèi)的波的個數(shù)，其不足一個完整波形的首數(shù)及尾數(shù)，需在波群的兩端，可按反正弦函數(shù)折算為波形的分?jǐn)?shù)部份，即波形數(shù)=整數(shù)波形數(shù)式中，a，b為波群的首尾幅度和該處完整波形的振幅之比。（實(shí)驗(yàn)時可簡單的估算波群首、尾波形的數(shù)目：在T/2的兩個端點(diǎn)位置處波群首、尾波形若滿3/4個波形時，分波形數(shù)取0.75，若滿1/2個波形時，分波形數(shù)取0.5，滿1/4

5、個波形時，分波形數(shù)取0.25）4. 實(shí)驗(yàn)儀器雙光柵微弱振動測量儀，面板結(jié)構(gòu)1光電池升降調(diào)節(jié)手輪，2光電池座，在頂部有光電池盒，盒前有一小孔光闌，3電源開關(guān)，4音叉座，5音叉，6動光柵（粘在音叉上的光柵），7靜光柵（固定在調(diào)節(jié)架上），8靜光柵調(diào)節(jié)架，9半導(dǎo)體激光器，10激光器升降調(diào)節(jié)手輪，11調(diào)節(jié)架左右調(diào)節(jié)止緊螺釘，12激光器輸出功率調(diào)節(jié)，13耳機(jī)插孔，14音量調(diào)節(jié)，15信號發(fā)生器輸出功率調(diào)節(jié)，16信號發(fā)生器頻率調(diào)節(jié)，17靜光柵調(diào)節(jié)架升降調(diào)節(jié)手輪，18驅(qū)動音叉用的蜂鳴器，19蜂鳴器電源插孔，20頻率顯示窗口，21三個信號輸出插口，Y1拍頻信號，Y2音叉驅(qū)動信號，X為示波器提供“外觸發(fā)”掃描信號，

6、可使示波器上的波形穩(wěn)定?！緦?shí)驗(yàn)步驟】1. 連接將雙蹤示波器的X(CH1)、Y(CH2)輸入端分別接至雙光柵微弱振動測量儀的Y1（拍頻信號）、Y2(音叉激振信號)輸出接口上，雙蹤示波器的EXT TRIG輸入端接至雙光柵微弱振動測量儀的X（觸發(fā)信號）的輸出插座上，開啟各自的電源。2. 操作（1）幾何光路調(diào)整：（注意：儀器已調(diào)好，不需要再調(diào)整） 小心取下“靜光柵架”（不可擦傷光柵），微調(diào)半導(dǎo)體激光器的左右、俯昂調(diào)節(jié)手輪，讓光束從安裝靜止光柵架的孔中心通過。調(diào)節(jié)光電池架手輪，讓某一級衍射光正好落入光電池前的小孔內(nèi)。鎖緊激光器。（2）雙光柵調(diào)整：（注意：儀器已調(diào)好，不需要再調(diào)整） 小心地裝上“靜光柵架”

7、靜光柵盡可能與動光柵接近（不可相碰！）用一屏放于光電池架處，慢慢轉(zhuǎn)動光柵架，務(wù)必仔細(xì)觀察調(diào)節(jié)，使得二個光束盡可能重合。去掉觀察屏，輕輕敲擊音叉，在示波器上應(yīng)看到拍頻波。注意：如看不到拍頻波，激光器的功率減小一些試試。在半導(dǎo)體激光器的電源進(jìn)線處有一只電位器，轉(zhuǎn)動電位器即可調(diào)節(jié)激光器的功率。過大的激光器功率照射在光電池上將使光電池“飽和”而無信號輸出。（3）音叉諧振調(diào)節(jié)：先將“功率”旋鈕置于任意位置，調(diào)節(jié)“頻率”旋鈕，（500附近），使音叉諧振，使在示波器上看到的T/2內(nèi)光拍的波形數(shù)目為1020個左右較合適。（4）波形調(diào)節(jié)：（注意：儀器已調(diào)好，不需要再調(diào)整）光路粗調(diào)完成后，就可以看到一些拍頻波，但

8、欲獲得光滑細(xì)膩的波形，還須作些仔細(xì)的反復(fù)調(diào)節(jié)。稍稍松開固定靜光柵架的手輪，試著微微轉(zhuǎn)動光柵架，改善動光柵衍射光斑與靜光柵衍射光斑的重合度，看看波形有否改善；在兩光柵產(chǎn)生的衍射光斑重合區(qū)域中，不是每一點(diǎn)都能產(chǎn)生拍頻波，所以光斑正中心對準(zhǔn)光電池上的小孔時，并不一定都能產(chǎn)生好的波形，有時光斑的邊緣即能產(chǎn)生好的波形，可以微調(diào)光電池架或激光器的X-Y微調(diào)手輪，改變一下光斑在光電池上的位置，看看波形有否改善。（5）測出外力驅(qū)動音叉時的諧振曲線固定“功率”旋鈕位置，小心調(diào)節(jié)“頻率”旋鈕，讀出不同頻率f（Hz）時T/2內(nèi)的波形數(shù)目，不足一個完整波形的，算出它的分?jǐn)?shù)部分，填入下表：（頻率取值參考范圍：497 Hz511 Hz，間隔0.5 Hz） 每個儀器音叉的諧振頻率不同，應(yīng)根據(jù)每個儀器音叉的諧振頻率（標(biāo)注在音叉上），選擇不同的頻率取值參考范圍，以每個儀器音叉的諧振頻率為中心，左右7Hz頻率范圍為宜。頻率（Hz）T/2內(nèi)波形數(shù)目 音叉振動的振幅頻率（Hz） T/2內(nèi)波形數(shù)目音叉振動的振幅頻率（Hz） T/2內(nèi)波形數(shù)目音叉振動的振幅按照公式：和，根據(jù)實(shí)驗(yàn)測出的T/2內(nèi)波形數(shù)目，計算出不同頻率f下音叉振動的振幅，并填入表中。 固定“功率”旋鈕調(diào)節(jié)“頻率”，在坐標(biāo)紙上做出音叉的頻率振幅曲線。 （6）多普勒效應(yīng)的演示 蜂鳴器I不接電源，此時音叉保持靜止，旋大“聲音”按鈕，無聲音輸出（實(shí)驗(yàn)時，有