雙光柵微弱振動(dòng)測量試驗(yàn)報(bào)告

1、呂時(shí)IS曲娠麗雙光柵微弱振動(dòng)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(dòng)位移的方 法。2 做出外力驅(qū)動(dòng)音叉時(shí)的諧振曲線?！緝x器用具】雙光柵微弱振動(dòng)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(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（無限遠(yuǎn)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(dòng)著，則出射的衍射波的波陣面也以速度 :在y方向移動(dòng)。在不同時(shí)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：t的位移量，即衍射圖樣在y方向有：t的位移量，這個(gè)位移量相當(dāng) 于光波產(chǎn)生了 X的光程差，相應(yīng)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(dòng)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(gè)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(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(dòng)（固定在音叉上隨音叉振動(dòng)而上下運(yùn)動(dòng)）。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(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(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： 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(zhuǎn)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(yīng)，所以光電檢測器只能檢測出第三 項(xiàng)

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(shí)驗(yàn)n . -100條.mm。d3.微弱振動(dòng)位移量的檢測：F拍與光頻率.0無關(guān)，且當(dāng)光柵密度、為常數(shù)時(shí)，只正比于光柵移動(dòng)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(shí)間而變化的，微弱振動(dòng)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(dòng)周期，！. F拍(t)dt2 o2 02n oo2可直接在示波器的熒光屏上計(jì)算波形數(shù)而得

6、到，因?yàn)?F拍(t)dt表示T/2內(nèi)的波的0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(shí)驗(yàn)時(shí)可簡 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 3/4個(gè)波形時(shí)，分波形數(shù)取0.75,若滿1/2個(gè)波形時(shí)，分波形數(shù)取0.5,滿1/4個(gè) 波形時(shí)，分波形數(shù)取0.25)4.實(shí)驗(yàn)儀器雙光柵微弱振動(dòng)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(dòng)光柵

7、(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(dòng)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(gè)信號輸出插口， 丫1拍頻信號，丫2 音叉驅(qū)動(dòng)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?！緦?shí)驗(yàn)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(dòng)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(dòng)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”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)

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(dǎo)體激光器的電源進(jìn)線處有一只電位器， 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 Hz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。甌臨示液器顯示聞拍頻波和音叉驅(qū)朋液（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

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(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(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，改變一下光斑在光電池上的 位置，看看波形有否改善。（5）測出外力驅(qū)動(dòng)音叉時(shí)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(shí)丁/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：497 Hz511 Hz,間隔0.5 Hz）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T 2 41按照公式：A二 F拍（t）dt （T 2內(nèi)波形數(shù)） 和n =100條. mm，根加日02n0據(jù)實(shí)驗(yàn)測出的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。頻率f/H2（6）多普勒效應(yīng)的演示蜂鳴器I不接電源，此時(shí)音叉