雙光柵微弱振動測量試驗報告

1、呂時IS曲娠麗雙光柵微弱振動測量實驗【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 做出外力驅動音叉時的諧振曲線?！緝x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：由于波源和觀察者之間有相對運動， 使觀察者感到頻率發(fā)生變 化的現(xiàn)象，叫做多普勒效應。當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，在遠場（無限遠處或透鏡的焦平面上）形成衍射圖樣，衍射角(1)由光

2、柵方程表示:如果由于光柵在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，對應于同一級的衍射光線，它的波陣面上的一點, 在y方向有：t的位移量，即衍射圖樣在y方向有：t的位移量，這個位移量相當 于光波產生了 X的光程差，相應的相位的變化量為:也 t ）= A6 = ut sine+?圾-些I十叫-丿圾.% + %墮理一伽Q由光柵方程得： 二丨(t) = tsin v - t - 2n t = n - .dt dd式中：i =2 二一。d光波與成如下形式：i ot ： (t)i ( o *n d)t E - E°eE°e則移動的位相光柵的n級

3、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.o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。本實驗形成光 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振動而上下運動）。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

4、加，這樣就直接而又簡單地形成了光拍。當此光拍訊號進入光電檢測器，由于檢測器的平方律檢波性質，其輸出光電 流可由下述關系求得：光束 1： Ei =Eio cosC光束2： E2 = E12 cos( .0 宀 d)t ?丨2 (取 n = 1 )光電流：l=上（Ei E2）2 （E為光電轉換常數(shù)）r22*小、Eio COS ®ot +申1 ）'E 20 cos 1.門 0 d ' 2+ E10E20 COS 如。+叭-叭* +（巴-化）1/E10E20 cosReo。+國0 + d ）t+申1 ）”因光波頻率0甚高，不能為光電檢測器反應，所以光電檢測器只能檢測出第三 項

5、拍頻訊號，即：is- 'Ei。E20 cos b，dt 亠®2 V光電檢測器能測到的光拍訊號的頻率為拍頻匚國d 5F 拍An：2兀d1其中n二為光柵密度，本實驗n . -100條.mm。d3.微弱振動位移量的檢測：F拍與光頻率.0無關，且當光柵密度、為常數(shù)時，只正比于光柵移動速度 A , 如果把光柵A粘在音叉上，貝,A是周期性變化的。所以光拍信號頻率F拍也是隨 時間而變化的，微弱振動的位移振幅為：1T 21T 2 F (t)1 T 2亠T2A(t)dtdtF拍(t )dt，式中T為音叉振動周期，！. F拍(t)dt2 o2 02n oo2可直接在示波器的熒光屏上計算波形數(shù)而得

6、到，因為.F拍(t)dt表示T/2內的波的0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 算為波形的分數(shù)部份，即1 1 .波形數(shù)=整數(shù)波形數(shù)sib360360式中，a，b為波群的首尾幅度和該處完整波形的振幅之比。(實驗時可簡 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個 波形時，分波形數(shù)取0.25)4.實驗儀器雙光柵微弱振動測量儀，面板結構1 光電池升降調節(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，4音叉座，5音叉，6動光柵

7、(粘在音叉上的光柵)， 7靜光柵(固定在調節(jié)架上)，8靜光柵調節(jié)架，9半導體激光器，10激 光器升降調節(jié)手輪，11調節(jié)架左右調節(jié)止緊螺釘，12激光器輸出功率調節(jié)， 13耳機插孔，14音量調節(jié)，15信號發(fā)生器輸出功率調節(jié)，16信號發(fā)生器 頻率調節(jié)，17靜光柵調節(jié)架升降調節(jié)手輪，18驅動音叉用的蜂鳴器，19蜂 鳴器電源插孔，20頻率顯示窗口，21三個信號輸出插口， 丫1拍頻信號，丫2 音叉驅動信號，X為示波器提供“外觸發(fā)”掃描信號，可使示波器上的波形穩(wěn)定。【實驗步驟】1.連接將雙蹤示波器的X(CH1)、丫(CH2)輸入端分別接至雙光柵微弱振動測量儀的 Y1 (拍頻信號)、丫2(音叉激振信號)輸出接

8、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）幾何光路調整：（注意：儀器已調好，不需要再調整）小心取下“靜光柵架”（不可擦傷光柵），微調半導體激光器的左右、俯昂 調節(jié)手輪，讓光束從安裝靜止光柵架的孔中心通過。調節(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。鎖緊激光器。（2）雙光柵調整：（注意：儀器已調好，不需要再調整）小心地裝上“靜光柵架”靜光柵盡可能與動光柵接近（不可相碰?。┯靡黄?放于光電池架處，慢慢轉動光柵架，務必仔細觀察調節(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

9、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。在半導體激光器的電源進線處有一只電位器， 轉動電位器即可調節(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）音叉諧振調節(jié)：先將“功率”旋鈕置于任意位置，調節(jié)“頻率”旋鈕，（500 Hz附近），使音叉諧振，使在示波器上看到的T/2內光拍的波形數(shù)目為1020個左右較合適。甌臨示液器顯示聞拍頻波和音叉驅朋液（4）波形調節(jié)：（注意：儀器已調好，不需要再調整）光路粗調完成后，就可以看到一些拍頻波，但欲獲得光滑細膩的波形，還須 作些仔細的反復調節(jié)。稍稍松開固定靜光柵架的手輪，試著微微轉動光柵架，改 善動光柵衍

10、射光斑與靜光柵衍射光斑的重合度，看看波形有否改善；在兩光柵產生的衍射光斑重合區(qū)域中，不是每一點都能產生拍頻波，所以光斑正中心對準光 電池上的小孔時，并不一定都能產生好的波形，有時光斑的邊緣即能產生好的波 形，可以微調光電池架或激光器的 X-Y微調手輪，改變一下光斑在光電池上的 位置，看看波形有否改善。（5）測出外力驅動音叉時的諧振曲線固定 功率'旋鈕位置，小心調節(jié) 頻率”旋鈕，讀出不同頻率f （Hz）時丁/2內 的波形數(shù)目，不足一個完整波形的，算出它的分數(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，應根據(jù)每個儀器音叉的諧振頻率（標注在音 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內波形數(shù)目音叉振動的振幅頻率（Hz）T/2內波形數(shù)目音叉振動的振幅頻率（Hz）T/2內波形數(shù)目音叉振動的振幅T 2 41按照公式：A二 F拍（t）dt （T 2內波形數(shù)） 和n =100條. mm，根加日02n0據(jù)實驗測出的T/2內波形數(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”旋鈕調節(jié)頻率”在坐標紙上做出音叉的頻率一振幅曲線。頻率f/H2（6）多普勒效應的演示蜂鳴器I不接電源，此時音叉