雙光柵微弱振動測量實驗

1、雙光柵微弱振動測量實驗實驗前預習一、實驗目的雙光柵微弱振動測鼠儀在力學實驗項忖中用作音義振動分析、微振幅（位移）測靈和光拍 研究等。1. 熟悉一種利用光的多普勒頻移形成光拍的原理，粘確測靈微弱振動位移的方法。2. 作出外力驅動音又時的諧振曲線。二、儀器結構雙光柵微冊振動測杲儀面板結構見圖1.圖1屮，1 一光電池升降調(diào)節(jié)手輪，2光電池座，在頂部有光電池盒，盒前有一小孔比 闌，3電源開關，4一音叉座。5音叉，6 動光柵（粘在音叉上的光柵），7 靜光櫥（固定 在調(diào)節(jié)架上），8-靜光柵調(diào)節(jié)架，9一半導體激光器，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

2、插孔，14-音最調(diào)節(jié)，15 一信 號發(fā)生器輸出功率調(diào)節(jié),16信號發(fā)生器頻率調(diào)廿,17靜光櫥調(diào)節(jié)架升降調(diào)節(jié)手輪,18 一驅動音叉用的蜂比/ 19一蜂嗚器電源插孔，20-頻率顯示窗口，21-H個佇弓輸出插I 1, Y1拍頻信號，Y2音義驅動信號，X為示波器提供“外觸發(fā)”打描信號，可使示波器上的波 形穩(wěn)定?？梢钥吹?，實驗所需的激光源、信號發(fā)生器、頻率計等C集成J： 只儀器箱內(nèi)，只需外 配-臺普通的雙蹤或單蹤示波器即可三、技術指標測最精度:激光器：5“m,分辨率1 “mA=635iini. 0 3 m w信號發(fā)生器：100Hz 1000Hz. 0.1 Hz微調(diào)，0500mw輸出頻率計：音叉:1Hz 9

3、999Hz±0IHz諧振頻率500Hz實驗原理1. 位相光柵的多普勒頻移當激光平而波垂直入射到位相光柵時，曲j;位相比柵上不同的光密和光疏媒質(zhì)部分對光 波的位相延遲作用，使入射的平而波變成出射時的摺曲波陣而，見圖2,由衍射干涉作用， 在遠場，我們可以用人家熟知的光柵方程即式來表示：dsinO = nk（1）（式屮為光柵常數(shù)，&為衍射角，人為光波波長）然而,如果由F光柵在y方向以速度v移動著,則出射波陣面也以速度v在Y方向移 動。從而，在不同時刻，對應丁同一級的衍射光線.它的波陣而上出發(fā)點，在Y方向也仃一個W的位移量,見圖3c這個位移杲相應光波位相的變化炭為歐小盹）吟4乎g(2

4、)(1)代入(2)：2/rT+2 level,+ 2wd+7 level. w()+ wJ 0 level 9-7 level, wq- wd2 level. Wo2 wd圖4A<l)(r)=ncoQt(3)v式屮：coa = 2現(xiàn)把光波寫成如卜形式:(4)(5)E = Eq expbSof + (/)= Eq expz(© +nod >顯然可見，移動的位相光柵的11級衍射光波，相對J：靜止的位相光柵仃一個:© =0。+叫的多普勒頻率,如圖4所示。2-光拍的獲得與檢測因為光頻率共高，為了要從光頻0。中檢測出多普勒頻移斎，必須采用“拍”的方法。 即耍把C頻移的和未

5、頻移的光束互相平行迭加，以形成光拍。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E靜止，另一片A相對移動。激光通過雙光柵后所形 成的衍射光.即為兩種以上光束的平行迭加。如圖5所示。光柵A按速度心移動起頻移作川，而光柵B靜止不動只起衍射作用，故通過雙光柵后出 射的衍射光包金了兩種以上不同頻率而又平行的光束，由雙光柵緊貼，激光束貝仃一定寬 度，故該光束能'卜行迭加，這樣直接而乂簡單地形成了光拍。當此光拍訊兮進入光電檢測器, 由檢測器的平方律檢波性質(zhì)，其輸出光電流可由卜述關系求得：光束 1： E、= ElQ cos(a)0t + ®)光束 2： E2 = E2Q c

6、os(q + © A + 佟(取 «=1) 光電流:I =+ e2)2 (纟為光電套換常數(shù))盃曲(砒+®)4- £；0COS：(6?04->+J+ 1020 COsSo + % 兔 k + (© ®)+ El0E20 cos(q + % + q+ (化 + ®)內(nèi)光波頻率q其高，不能為光電檢測器反應，所以光電檢測器只能反丿'*6)式屮第三項拍頻 訊號：t =込0民0 coscadt +(6 - 0光電檢測器能測到的光拍訊巧的頻率為拍頻(7)其丄為光柵密度，本實驗100條/min d3微弱振動位移量的檢測從(7)

7、式可知，巧“與光頻率q無關，且當光柵幣度為常數(shù)時，只正比J：光柵移動速 度匚，如果把光柵粘在音叉上，則、S是周期性變化的.所以光拍信號頻率巧帚也是隨時間 而變化的，微弱振動的位移振幅為：T/2式屮T為音叉振動周期，耳伸川可U接在示液器的熒光屏上計算波形數(shù)而得到，因0T/2為JT/2內(nèi)的波的個數(shù)，其不足-個完整波形的忡數(shù)及尾數(shù)，盂在波群的兩端，可按反正弦兩數(shù)折算為波形的分數(shù)部份，即波形數(shù)=整數(shù)波形數(shù)+SUV1 d/36O°+ sin1 b/360°式中,a，b為波群的首尾幅度和該處完整波形的振幅之比。(波群指T/2內(nèi)的波形, 分數(shù)波形數(shù)包括滿1 / 2個波形為0. 5滿1 /

8、 4個波形為0 25)。實驗課上五、實驗方法1. 連接將雙蹤示波器的Yl、Y2、X外觸發(fā)輸入端接至雙光柵微弱振動測駅儀的Yl、Y2（音叉 激振信號，使用單蹤示波器時此信號空置）、x（音義激振驅動信號整形成方波，作示波器“外 觸發(fā)”川；）的輸出插座上，示波器的觸發(fā)方式國“外觸發(fā)”；Y1的V/格置J; 0.1 v/格一O.5V/ 格：“時基”置丁 02ms/格；開啟各自的電源。2. 操作（1）幾何光路調(diào)整（普通型，即非多普勒型）小心取下“靜光柵架”（不可擦傷光櫥）,微調(diào)半導體激光器的M6立桿上卜俯仰,讓光 束從安裝靜止光柵架的孔中心通過。調(diào)卩光電池架：M6立桿上下俯仰，讓某一級衍射光正 好落入光電

9、池前的小孔內(nèi)。鎖緊激光器與光電池。（2）雙光柵調(diào)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?。┯靡黄练臞：光電池架 處，務必仔細觀察調(diào)節(jié)，看二個光束是否重合，如不靈合可用一把一字起旋動1的板結構圖商 標的“11”螺釘或微調(diào)半導體澈光器的位豐。云掉觀察屛，輕輕敲擊音叉，在示波器上應看 到拍頻波。注意：如行不到拍頻波，激光器的功率減小一些試試。在半導體激光器的電源進 線處冇一只電位器，轉動電位器即可調(diào)節(jié)激光器的功率。過人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)調(diào)節(jié)“頻率”旋鈕，（500Hz附近），使音叉諧振。調(diào)節(jié)時用于輕輕地按音叉頂部，找出 調(diào)

10、節(jié)方向。如音叉諧振A強烈，將“功率”旋鈕向小鐘點方向轉動，使在示波器上看到的T / 2內(nèi)光拍的波數(shù)為1020個左右較臺適。圖6單蹤示波器顯示的拍頻波圖7雙蹤示波器顯示的拍頻波和音叉驅動波(4)波形調(diào)節(jié)光路粗調(diào)完后，就可看到一些拍頻波，但欲獲得光滑細膩的波形，須作些仔細的調(diào)節(jié)。 稍稍松開面板結構圖匕的“11”螺釘，試著微微轉動光柵架，改善動光柵衍射光斑與靜光柵 衍射光斑的晅介度，看看波形仃否改善：在兩光柵產(chǎn)生的衍射光斑重合區(qū)域中，不是每一點 都能產(chǎn)生拍頻波，所以光斑正屮心對準光電池上的小孔時，并不一定都能產(chǎn)生好的波形。仃 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M6工桿上卜俯仰輪，改變 一下光斑在光電池上的位置，看看波形有否改善。測出外力驅動音叉時的諧振曲線固定“功率”旋鈕位宣，小心調(diào)節(jié)“頻率”旋鈕，作出音叉的頻率一振糾曲線。(6)改變音叉的有效質(zhì)量研究諧振曲線的變化趟勢，并說明煩因。(改變質(zhì)吊可用橡皮泥或在音叉上吸一小塊磁