西安交通大学综合与近代物理实验9.7用双光栅测量微弱震动.docx

实验9.7用双光栅测量微弱振动 1842年多普勒(Doppler)提出，当波源和观察者彼此接近时，接收到的频率变高；而当波源和观察者彼此相离开时，接收到的频率变低。这种现象在电磁波和机械波中都存在。即当波源和观察者之间存在相对运动时，观察者所接收到的频率不等于波源振动频率，这种现象称为多普勒效应。而当光源与接收器之间有相对运动时，接收器感受到的光波频率不等于光源频率，这就是光学的多普勒效应或电磁波的多普勒效应。该效应已经在科学技术以及医学的许多领域得到应用。 本实验用激光多普勒效应测量微弱振动。它是一种精密的光电系统，使用了多种光电转换和处理技术，是综合性很强的实验。 实验目的 熟悉一种利用光的多普勒频移形成光拍的原理精确测量微弱振动位移的方法； 作出外力驱动音叉时的谐振曲线。 实验仪器 双光栅微弱振动测量仪，双踪示波器。 实验??理 位相光栅的多普勒频移 所谓的位相材料是指那些只有空间位相结构，而透明度一样的透明材料。如生物切片、油膜、热塑，以及声光偏转池等。它们只改变入射光的相位，而不影响其振幅。位相光栅就是用这样的材料制作的光栅。 图1 当激光平面波垂直入射到位相光栅时，由于位相光栅上不同的光密和光疏媒质部分对光波的位相延迟作用，使入射的平面波在出射时变成折曲波阵面，如图1所示，由于衍射干涉作用，在远场我们可以用大家熟知的光栅方程来表示 (1) 式中：为光栅常数，；为衍射角；为光波波长。 然而，如果由于光栅在方向以速度移动，则出射波阵面也以速度在方向移动。从而在不同时刻，对应于同一级的衍射光线，它的波阵面上的点，在方向也有一个的位移量，如图2所示。这个位移量对应于光波位相的变化量为，有 (2) 将(1)式带入(2)式有 (3) 式中：。 把光波写成如下形式 图2 (4) 显然可见，移动的位相光栅的n级衍射光波，相对于静止的位相光栅有一个大小为： (5) 的多普勒频率，如图3所示。 光拍的获得与检测 图3 光波的频率甚高，为了要从光频中检测出多普勒频移，必须采用“拍” 的方法。也就是要把已频移的和未频移的光束相互平行叠加，以形成光拍。本实验形成光拍的方法是采用两片完全相同的光栅平行紧贴，一片(B)静止，另一片(A)相对移动。激光通过双光栅后形成的衍射光，即为两个光束的平行叠加。如图4所示，光栅A以速度移动，起频移作用，而光栅B静止不动，只起衍射作用，所以通过双光栅后出射的衍射光包含了两种以上不同频率而又相互平行的光。由于双光栅紧贴，激光束具有一定宽度，故该光束能平行叠加，这样直接而又简单地形成了光拍。当此光拍信号进入光电检测器，由于检测器的平方律检波性质，其输出光电流可由如下述关系求得 图4 光束1： 光束2：（取） 光电流：（为光电转换常数）(6) 因为光波甚高，光电检测器不能检测，所以在(6)式中只有拍频信号 能被光电检测器检测出来。 光电检测器所能测到的光拍信号的频率为 (7) 式中：为光栅常数，本实验中条/毫米。 微弱振动位移量的检测 从(7)式可知，与光频率无关，且当光栅密度确定时，与光栅移动速度成正比。如果把光栅粘在音叉上，则是周期性变化的，所以光拍信号频率也是随时间变化的，微弱振动的位移振幅为 式中：为音叉振动周期。可以直接在示波器的荧光屏上计算光拍波形数而得到，因为表示内的波的个数，不足一个完整波形，需要在波群的两端，按反正弦函数折算为波形的分数部分，即 式中：，为波群的首尾幅度和该处完整波形的振幅之比。（波群指内的波形，分数波形数包括满1/2个波形为0.5，满1/4个波形为0.25） 实验仪器介绍 双光栅微弱振动测量仪面板结构如图5所示。 图5 1—光电池座，顶部有光电池盒，盒前方一小孔光阑；2—电源开关；3—光电池升降手轮；4—音叉座；5—音叉；6—粘于音叉上的光栅（动光栅）；7—静光栅架；8—半导体激光器；9—锁紧手轮；10—激光器输出功率调节；11—信号发生器输出功率调节；12—信号发生器频率调节；13—驱动音叉用耳机；14—频率显示；15—信号输出；Y1—拍频信号；Y2—音叉驱动信号；X—示波器提供“外触发”扫描信号，使得示波器显示的波形稳定 实验装置原理图如图6所示。 图6 本仪器技术指标：测量精度：；分辨率：；激光器：，；音叉：谐振频率500Hz左右。 实验内容及步骤 将双踪示波器的CH1、CH2、“外触发”分别接到双光栅微弱振动测量仪的Y1、Y2和X的输出上； 小心取下“静光栅架”（注意保护光栅），稍稍松开激光器顶部的紧锁手轮，小心地上下左右调节激光器，让激光光束通过静止光栅的中心孔；调节光电池架手轮，让某一级衍射光正好落入光电池的小孔内。 小心装上“静光栅架”，并使其尽可能与动光栅接近，但不可相碰；将一扇观察屏放于光电池架处，慢慢转动光栅架，仔细观察、调节，使得两个光束尽可能重合