雙光柵微弱振動(dòng)測(cè)量實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、雙光柵微弱振動(dòng)測(cè)量實(shí)驗(yàn)【目的要求】熟悉利用光的多普勒頻移形成光拍的原理，掌握精確測(cè)量微弱振動(dòng)位移的方法。做出外力驅(qū)動(dòng)音叉時(shí)的諧振曲線(xiàn)?！緝x器用具】雙光柵微弱振動(dòng)測(cè)量?jī)x、數(shù)字示波器【原理】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(duì)運(yùn)動(dòng)，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(shí)，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(shí)，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(shí)，由于光柵的衍射干涉作用而發(fā)生衍射，在遠(yuǎn)場(chǎng)(無(wú)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：dsin=n(1)if佇招光腸X出射

2、艇按噴如果由于光柵在y方向以速度u移動(dòng)著，則出射的衍射波的波陣面也以速度u在y方向移動(dòng)。在不同時(shí)刻，對(duì)應(yīng)于同一級(jí)的衍射光線(xiàn)，它的波陣面上的一點(diǎn),在y方向有ut的位移量，即衍射圖樣在y方向有ut的位移量，這個(gè)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:申(t)，?A=?utsin九九由光柵方程得：申(t)，嚴(yán)utsin，嚴(yán)ut入，2n兀t，nt九九ddd式中：，2兀u。dd光波寫(xiě)成如下形式：E，Eei0t+A9(t)=Eei(0+nd)t00則移動(dòng)的位相光柵的n級(jí)衍射光波，相對(duì)于靜止的位相光柵有一個(gè)，+na0d的多普勒頻率。2光拍的獲得與檢測(cè)：光的頻率非常高，為了要從光頻中檢測(cè)出多普勒

3、頻移量，必須采用“拍”0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(duì)移動(dòng)（固定在音叉上隨音叉振動(dòng)而上下運(yùn)動(dòng)）。激光通過(guò)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(chǎng)為兩種以上平行光束的迭加。移動(dòng)的光柵A起頻移作用，而靜止不動(dòng)光柵B起衍射作用，故通過(guò)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(jiǎn)單地形成了光拍。當(dāng)此光拍訊號(hào)進(jìn)入光電檢測(cè)器，由于檢測(cè)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：

4、E，Ecos(+申)11001（取n，1）212光束2：E，Ecos(+)t+Qd2光電流：I，(E+E)212（1為光電轉(zhuǎn)換常數(shù)）t+p)(E2cos2(1001+E2cos2(+TOC o 1-5 h z+EEcoslip+-)t+G-申)10200d021q+EEcosh(+)t+G+申)102000d21因光波頻率甚高，不能為光電檢測(cè)器反應(yīng)，所以光電檢測(cè)器只能檢測(cè)出第三0項(xiàng)拍頻訊號(hào)，即：Ecostot+1020d21光電檢測(cè)器能測(cè)到的光拍訊號(hào)的頻率為拍頻”F，d，a，”n拍2兀da“其中n=d為光柵密度，本實(shí)驗(yàn)叮100條mm微弱振動(dòng)位移量的檢測(cè)：F與光頻率無(wú)關(guān),且當(dāng)光柵密度n為常數(shù)時(shí)，

5、只正比于光柵移動(dòng)速度，,TOC o 1-5 h z拍oea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(hào)頻率F也是隨A拍時(shí)間而變化的，微弱振動(dòng)的位移振幅為： HYPERLINK l bookmark14212F(t)122AJ，(t)dtJ拍丿dtJF(t)dt，式中T為音叉振動(dòng)周期，JF(t)dt HYPERLINK l bookmark162n2n拍拍ooeeoot|*2可直接在示波器的熒光屏上計(jì)算波形數(shù)而得到，因?yàn)镴F(t)dt表示T/2內(nèi)的波的拍o個(gè)數(shù)，其不足一個(gè)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)+瞇a+舄o式中，a

6、，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(shí)可簡(jiǎn)單的估算波群首、尾波形的數(shù)目：在T/2的兩個(gè)端點(diǎn)位置處波群首、尾波形若滿(mǎn)3/4個(gè)波形時(shí)，分波形數(shù)取0.75，若滿(mǎn)1/2個(gè)波形時(shí)，分波形數(shù)取o.5，滿(mǎn)1/4個(gè)波形時(shí)，分波形數(shù)取o.25)實(shí)驗(yàn)儀器雙光柵微弱振動(dòng)測(cè)量?jī)x，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(kāi)關(guān)，4音叉座，5音叉，6動(dòng)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，io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(hào)發(fā)生器輸出功率調(diào)節(jié)

7、，16信號(hào)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(dòng)音叉用的蜂鳴器，19蜂鳴器電源插孔，2。一頻率顯示窗口，21三個(gè)信號(hào)輸出插口，Y1拍頻信號(hào)，Y2音叉驅(qū)動(dòng)信號(hào)，X為示波器提供“外觸發(fā)”掃描信號(hào)，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(dòng)測(cè)量?jī)x的Y1(拍頻信號(hào))、Y2(音叉激振信號(hào))輸出接口上，雙蹤示波器的EXTTRIG輸入端接至雙光柵微弱振動(dòng)測(cè)量?jī)x的X（觸發(fā)信號(hào)）的輸出插座上，開(kāi)啟各自的電源。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、

8、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(guò)。調(diào)節(jié)光電池架手輪，讓某一級(jí)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”靜光柵盡可能與動(dòng)光柵接近（不可相碰！）用一屏放于光電池架處，慢慢轉(zhuǎn)動(dòng)光柵架，務(wù)必仔細(xì)觀察調(diào)節(jié)，使得二個(gè)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(xiàn)處有一只電位器，轉(zhuǎn)動(dòng)電位器即可調(diào)節(jié)激光器的功率。過(guò)大的激光器功率照射在光電池上將使光電池“飽和”而無(wú)信號(hào)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)“

9、頻率”旋鈕，（500Hz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(gè)左右較合適。昭蹤示波.器顯:示由撈鎖波和音臾呃動(dòng)渡（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(kāi)固定靜光柵架的手輪，試著微微轉(zhuǎn)動(dòng)光柵架，改善動(dòng)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(duì)準(zhǔn)光電池上的小孔時(shí)，并不一定都能產(chǎn)生好的波形，有時(shí)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

10、在光電池上的位置，看看波形有否改善。（5）測(cè)出外力驅(qū)動(dòng)音叉時(shí)的諧振曲線(xiàn)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(shí)T/2內(nèi)的波形數(shù)目，不足一個(gè)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：497Hz511Hz,間隔0.5Hz）每個(gè)儀器音叉的諧振頻率不同，應(yīng)根據(jù)每個(gè)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(gè)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(dòng)的振幅頻率（Hz）T/2內(nèi)波形數(shù)目音叉振動(dòng)的振幅頻率（Hz）T/2內(nèi)波形數(shù)目音叉振動(dòng)的振幅1T21按照公式：A=,F（t）dt=（T2內(nèi)波形數(shù)）和n二100條mm，根2n拍2n0000據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)出的T/2內(nèi)波形數(shù)目，計(jì)算出不同頻率f下音叉振動(dòng)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一振幅曲線(xiàn)。E5-S躥f/H?（6）多普勒效應(yīng)的演示蜂鳴器I不接電源，此時(shí)音叉保持