双光栅

实验七 双光栅测微振动

一.实验目的

1.熟悉一种利用光的多普勒频移效应，形成光拍的原理,精确测量微弱振动位移的方法。 2.作出外力驱动音叉时的谐振曲线。

3.了解双光栅微弱振动测量仪的原理和使用。

二.实验仪器

双光栅微弱振动测量仪、普通双踪示波器

三. 仪器结构及技术指标

双光栅微弱振动测量仪在力学实验项目中用作音叉振动分析、微振动(位移)测量和光拍研究等。

1. 仪器结构

双光栅微弱振动测量仪面板结构见图1。

图1中，1-光电池座，在顶部有光电池盒，盒前有一小孔光阑，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-激光器锁紧手轮，10-信号发生器输出功率调节旋钮，11-信号发生器输出频率调节旋钮，12-频率显示窗口，13-三个输出信号插口，Y1拍频信号，Y2音叉驱动信号，X为示波器提供“外触发”扫描信号，可使示波器上的波形稳定。

可以看到，实验所需的激光源、信号发生器、频率计等已集成与一只仪器箱内,只需外配一台普通的双踪示波器即可。

2.技术指标 测量精度: 5μm, 分辨率 1μm 激光器:

?=635nm, 0--3mw,

信号发生器: 100--1000Hz, 0.1Hz微调, 0--500mw输出 频率计: 1Hz--999.9Hz±0.1Hz 音叉: 谐振频率约500Hz

四.实验原理

如果移动光栅相对静止光栅运动，使激光束通过这样的双光栅便产生光的多普勒现象，把频移和非频移的两束光直接平行迭加可获得光拍，再通过光的平方律检波器检测，取出差频讯号，可以精确测定微弱振动的位移。 1．位相光栅的多普勒位移

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度和光疏媒质部分对光波的位相延迟作用,使入射的平面波变成出射的摺曲波阵面,见图2,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即(1)式来表示:

dsin??n? ( 1 )

(式中d为光栅常数, ?为衍射角, ? 为光波波长)

然而,如果由于光栅在y方向以速度v移动着,则出射波阵面也以速度v在y方向,从而,在不同时刻,对应于同一级的衍射光线,它的波阵面上出发点,在y方向也有一个vt的位移量,见图3。)这个位移量相应于光波位相的变化量为??(t)。

??(t)?2????S?2??vtsin? ( 2 )

(1)代入（2）：

??(t)?式中

2??vtn?v=n2?t?n?at ( 3 ) dd?a?2?E?E0v。现把光波写成如下形式: dexpi(?0t???(t))?E0expi(?????n?)t? ( 4 )

0d显然可见,移动的位移光栅的n级衍射光波,相对于静止的位相光栅有一个:

???a0?n?d (5 )

的多普勒频率,如图4所示。 2.光拍的获得与检测

光频率甚高，为了要从光频

?0中检测出多普勒频移量,必须采用\拍\的方法。即要把已

频移的和未频移的光束互相平行迭加，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。激光通过光栅后所形成的衍射光，即为两种以上光束的平行迭加。如图5所示，光栅A按速度VA移动起频移作用，而光栅B静止不动只器衍射作用,

故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平行的光束，由于双光栅紧贴，激光束具有一定高度故该光束能平行迭加，这样直接而又简单地形成了光拍。当此光拍讯号进入光电检测器，由于检测器的平方律检波性质，其输出光电流可由下述关系求得： 光束1： 光束2：

E?Ecos(?1102200t??)

10dE?Ecos[(???)t??]

2 光电流：I??(E1?E2)

222??(t??)E10cos?01??22???E20cos[(?0??d)t??]??2 ??? ( 6 )

??E10E20cos[(?0??d??0)t?(?2??1)]????E10E20cos[(?0??0??d)t?(???)]??21??因光波频率拍频讯号：率为拍频

?0甚高，不能为光电检测器反应，所以光电检测器只能反应（6）式中第三项

is???EEcos??1020dt?(???)，光电检测器能测到的光拍讯号的频

21??F其

拍??d?vA?vAn? ( 7 )

2?dn??1d为光栅密度，本实验n??100条/mm

从（7）式可知，

3.微弱振动位移量的检测

F拍与光频率

?0无关，且当光栅密度

n?为常数时，只正比于光栅

移动速度

vA,如果把光栅粘在音叉上，则

vA是周期性变化的。所以光拍信号频率

F拍也是

随时间而变化的，微弱振动的位移振幅为：

A111??v(t)dt??F拍dt?2n?2020n?22T

TTT?F02拍dt

式中T为音叉振动周期，

T

?F

0

2拍

dt可直接在示波器的荧光屏上计算（数出）波形数而得到，

因为

?F

0

2拍

dt表示T/2内的波的个数，其不足一个完整波形（波群的两端）的首数及尾数，

可按反正弦函数折算为波形的分数部分，即

波形数=整数波形数+分数波形数?sin360?1a0?sin?1b0360

式中， a,b为波群的首尾幅度和该处完整波形的振幅之比。（波群指T/2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）

五.实验方法及内容

1.连接

将双踪示波器的Y1、Y2、X外触发输入端接至双光栅微弱振动测量仪的Y1、Y2、X输出插座上,开启各自的电源。 2.操作

(1)几何光路调整

小心取下塑料罩，稍稍松开激光器顶部的锁紧手轮,用手小心地上下左右搬动激光器,让光束从安装静止光栅架的孔中心通过。调节光电池架手轮，让某一级衍射光正好落入光电池前的小孔内。锁紧激光器。

（2）双光栅调整

小心地装上“静光栅架”静光栅尽可能与动光栅接近（不可相碰！）用一屏放于光电池架处，慢慢转动静光栅架，务必仔细观察调节，使得二个光束尽可能重合。去掉观察屏，调节光电池高度，让某一束光进入光电池。轻轻敲击音叉，调节示波器，配合调节激光器输出功率，应看到很漂亮的拍频波。

（3)音叉谐振调节

先将“功率”旋钮置于6--7点种附近,调节频率旋钮,(500Hz附近),使音叉谐振。调节时用手轻轻地按音叉顶部，找出调节方向。如音叉振动太强烈，将“功率”旋钮向小点钟方向旋动，使在示波器上看到的T/2内光拍的波形数为10--20个左右较合适。

（4）测出外力驱动音叉时的谐振曲线

固定“功率”旋钮位置，小心调节“频率”旋钮，作出音叉的频率--振幅曲线。 （5）改变音叉的有效质量，研究谐振曲线的变化趋势，并说明原因。（改变质量可用橡皮泥或在音叉上吸一小块磁铁。注意，此时信号输出功率不能改变）

六.预习思考题

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/blb3.html