双光栅测量微弱振动位移实验报告

激光双光栅法测量微小位移

一、实验目的

1. 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。

2. 作出外力驱动音叉时的谐振曲线。 二、实验仪器

示波器,双光栅微弱振动测量仪。 三、实验原理

当移动光栅相对静止光栅运动时，若有一激光束通过这样的双光栅，便能产生光的多普勒效应。由于光频率甚高，因此必须采用“拍”的方法进行测量，即把频移和非频移的两束光互相平行叠加使之形成光拍，再通过光电检测器检测，取出差频讯号，就可以精确测定微弱振动的位移。 1.位相光栅的多普勒频移：

所谓位相物体就是指那些只有空间的相位结构，而透明度是一样的透

明体。位相物体只能改变入射光的相位，而不影响其振幅。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，使入射的平面波变成出射时的摺曲波阵面，如图4- -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即（4--1）式来表示：

dsin??n? （4- -1） 式中d为光栅常数，?为衍射角，?为光波波

实验13 双光栅测量微弱振动位移量实验

实验重点预习内容：

1.在实验中怎样产生光拍？

2.如何计算波形数？（画图表示）

3.如何计算微弱振动的位移振幅？写出公式并对每个量进行逐一解释。 4.如何听拍频信号?

多普勒效应：多普勒路过铁路交叉处，发现火车从远而近时汽笛音调变尖，而火车从近而远时，音调变低。提出“多普勒效应”。

拍：根据振动迭加原理，两列速度相同、振动面相同、频差较小而同方向传播的简谐波叠加即形成拍。

本实验是运用多普勒效应与拍效应对振动位移进行测量

一、实验目的

1. 理解利用光的多普勒频移形成光拍的原理； 2. 理解双光栅衍射干涉位移测量原理；

3. 应用双光栅微弱振动测量仪测量音叉振动产生的微小振幅。

二、实验仪器

双光栅微弱振动测量仪、模拟示波器、数字示波器

三、实验原理

1. 位移光栅的多普勒频移

多普勒效应是指光源、接收器、传播介质或中间反射器之间的相对运动所引起的接收器接收到的光波频率与光源频率发生的变化，由此产生的频率变化称为多普勒频移。

由于介质对光传播时有不同的相位延迟作用，对于两束相同的单色光，若初始时刻相位相同，经过相同的几何路径，但在不同折射率的介质中传播，出射时两光的位相则不相同，对于位相光

光栅衍射实验报告

4.10光栅的衍射

【实验目的】

(1)进一步熟悉分光计的调整与使用;

(2)学习利用衍射光栅测定光波波长及光栅常数的原理和方法; (3)加深理解光栅衍射公式及其成立条件。

【实验原理】

衍射光栅简称光栅，是利用多缝衍射原理使光发生色散的一种光学元件。它实际上是一组数目极多、平行等距、紧密排列的等宽狭缝，通常分为透射光栅和平面反射光栅。透射光栅是用金刚石刻刀在平面玻璃上刻许多平行线制成的，被刻划的线是光栅中不透光的间隙。而平面反射光栅则是在磨光的硬质合金上刻许多平行线。实验室中通常使用的光栅是由上述原刻光栅复制而成的，一般每毫米约250~600条线。由于光栅衍射条纹狭窄细锐，分辨本领比棱镜高，所以常用光栅作摄谱仪、单色仪等光学仪器的分光元件，用来测定谱线波长、研究光谱的结构和强度等。另外，光栅还应用于光学计量、光通信及信息处理。 1．测定光栅常数和光波波长

光栅上的刻痕起着不透光的作用，当一束单色光垂直照射在光栅上时，各狭缝的光线因衍射而向各方向传播，经透镜会聚相互产生干涉，并在透镜的焦平面上形成一系列明暗条纹。 如图1所示，设光栅常数d=AB的光栅G，有一束平行光与光栅的法线成i角的方向，入射到光栅上产生衍射。从B点作BC垂直于

光栅衍射实验报告

4.10光栅的衍射

【实验目的】

(1)进一步熟悉分光计的调整与使用;

(2)学习利用衍射光栅测定光波波长及光栅常数的原理和方法; (3)加深理解光栅衍射公式及其成立条件。

【实验原理】

衍射光栅简称光栅，是利用多缝衍射原理使光发生色散的一种光学元件。它实际上是一组数目极多、平行等距、紧密排列的等宽狭缝，通常分为透射光栅和平面反射光栅。透射光栅是用金刚石刻刀在平面玻璃上刻许多平行线制成的，被刻划的线是光栅中不透光的间隙。而平面反射光栅则是在磨光的硬质合金上刻许多平行线。实验室中通常使用的光栅是由上述原刻光栅复制而成的，一般每毫米约250~600条线。由于光栅衍射条纹狭窄细锐，分辨本领比棱镜高，所以常用光栅作摄谱仪、单色仪等光学仪器的分光元件，用来测定谱线波长、研究光谱的结构和强度等。另外，光栅还应用于光学计量、光通信及信息处理。 1．测定光栅常数和光波波长

光栅上的刻痕起着不透光的作用，当一束单色光垂直照射在光栅上时，各狭缝的光线因衍射而向各方向传播，经透镜会聚相互产生干涉，并在透镜的焦平面上形成一系列明暗条纹。 如图1所示，设光栅常数d=AB的光栅G，有一束平行光与光栅的法线成i角的方向，入射到光栅上产生衍射。从B点作BC垂直于

双光栅测弱振动

在工程技术上，往往需要对微小振动的速率和幅度予以精确的测量，尤其是在航空航天领域，对微弱振动的研究更是有着深远的意义。在众多测量技术中，“双光栅”测量法以其简单实用的优点得到了广泛的应用。双光栅测弱振动是将光栅衍射原理、多普勒频移原理以及光拍测量技术等多学科结合在一起，把机械位移信号转化为光电信号测量弱振动振幅的一个实验。

1实验要求

1. 实验重点

①熟悉一种利用光的多普勒频移效应、形成光拍的原理及精确测量微弱振动位移的方法。

②了解双光栅微弱振动测量仪的原理和使用。

③作出外力驱动音叉时的谐振曲线，并研究影响共振频率和振幅的因素。

2. 预习要点

① 本实验是如何获得光拍的？你觉得还有其它方法产生光拍吗？ ② 由本实验的光拍信号你可以获得哪些信息？

③ 你认为哪些因素会影响共振频率？作外力驱动音叉谐振曲线时,音叉驱动信号的功率需要固定吗?

④ 本实验中如何才能调出光滑的光拍？

2 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

双光栅测弱振动

在工程技术上，往往需要对微小振动的速率和幅度予以精确的测量，尤其是在航空航天领域，对微弱振动的研究更是有着深远的意义。在众多测量技术中，“双光栅”测量法以其简单实用的优点得到了广泛的应用。双光栅测弱振动是将光栅衍射原理、多普勒频移原理以及光拍测量技术等多学科结合在一起，把机械位移信号转化为光电信号测量弱振动振幅的一个实验。

1实验要求

1. 实验重点

①熟悉一种利用光的多普勒频移效应、形成光拍的原理及精确测量微弱振动位移的方法。

②了解双光栅微弱振动测量仪的原理和使用。

③作出外力驱动音叉时的谐振曲线，并研究影响共振频率和振幅的因素。

2. 预习要点

① 本实验是如何获得光拍的？你觉得还有其它方法产生光拍吗？ ② 由本实验的光拍信号你可以获得哪些信息？

③ 你认为哪些因素会影响共振频率？作外力驱动音叉谐振曲线时,音叉驱动信号的功率需要固定吗?

④ 本实验中如何才能调出光滑的光拍？

2 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

预习报告内容

(1)实验名称 (2)实验目的 (3)实验原理 主要原理公式及简要说明(主要是公式的适用 条件，以及如何在实验过程中得以保证)(不 得抄书);画好必要的原理图等。 (4)实验仪器 (5)预习思考题回答 (6)实验数据表格

第一阶段实验项目

一、弹簧振子振动周期的测量 二、用三线摆测量物体的转动惯量

一、弹簧振子振动周期的测量

实验目的

测定弹簧的倔强系数(stiffness coefficient) 研究弹簧振子的振动特性，验证周期公式 学习处理实验数据

实验原理

一根上端固定的圆柱螺旋弹簧下端悬 一重物后，就构成了弹簧振子。当振 子处于静止状况时，重物所受的重力 与弹簧作用于它的弹性恢复力相平衡 ，这是振子的静止位置，叫做平衡位 置。如用外力使振子离开平衡位置然 后释放，则振子将以平衡位置为中心 作上下振动。

平衡位置

m T 2 k

√?

1、弹簧振子的振动周期验证周期公式，假设：

待定常数

T AK m倔强系数

振子质量

设计实验？

确定周期公式中的参数1、保持振子质量m不变 T=C1Kα,C1=Amβ=常数 曲线取直：lgT=lgC1+αlgK

T AK m

可求出α,lgC1 求出A

2、保持倔强系数K不变 T=C2 mβ

超声光栅 实验报告

一、实验目的与实验仪器

1.实验目的

（1）了解超声光栅的原理和使用；

（2）利用超声光栅声速仪测量超声波在水中的传播速度。

2.实验仪器

GSG—1 型超声光栅声速仪、超声发生器（工作频率9~13MHz）、换能器、液槽、JJY-1’型分光仪（物镜焦距f = 168mm）、测微目镜（测微范围8mm）、放大镜、待测液及光源（钠灯或汞灯）等。

二、实验原理

介质受到超声波周期性的扰动，其折射率也将发生变化，此时光通过这种介质，就像透过投射光栅一样，这种现象称为超声致光衍射，把这种载有超声波的透明介质称为超声光栅。利用超声光栅可以计算超声波在透明介质中的速度。

设超声波在液体中以平面波形式沿x方向，在x方向液体中波的形式如下：

y1 = Amcos[2π·( )]

式中，y1为偏离平衡位置的位移量；Am为振幅，Ts为超声波周期，λs为超声波波长。

若在垂直x方向有一反射平面，则超声波被平面反射后沿x反方向传播，有如下方程：

y2 = Amcos[2π·( )]

当正反两方向的平面波叠加形成驻波时，平衡位置的偏移量为

y = y1+y2 = 2Amcos2πcos2π

超声波形成驻波

测量光栅常数

得分

教师签名

批改日期

一,实验设计方案

1,实验目的1.1,了解光栅的分光特性; 1.2,掌握什么是光栅常数以及求光栅常数的基本原理与公式; 1.3,掌握一种测量光栅常数的方法.

2,实验原理2.1,测量光栅常数 光栅是由许多等宽度a(透光部分) ,等间距b(不透光部分)的平行缝组成 的一种分光元件.当波长为λ的单色光垂直照射在光栅面上时,则透过各狭缝的 光线因衍射将向各方向传播,经透镜会聚后相互干涉,并在透镜焦平面上形成一 系列间距不同的明条纹.根据夫琅和费衍射理论,衍射光谱中明条纹的位置由下 式决定: (a+b)sinφk=kλ(k=0,±1,±2,…) (2.1.1)

式中a+b=d称为光栅常数,k为光谱级数,φk为第k级谱线的衍射角.见图2.1.2, k=0对应于φ=0, 称为中央明条纹, 其它级数的谱线对称分布在零级谱线的两侧. 如果入射光不是单色光,则由式(2.1.1)可知,λ不同,φk也各不相同, 于是将复色光分解.而在中央k=0,φk=0处,各色光仍然重叠在一起,组成中 央明条纹.在中央明条纹两侧对称地分布k=1,2,…级光谱线,各级谱线都按波 长由小到大,依次排列成一组彩色谱线,如图2.1.2所示.

双光栅测弱振动

在工程技术上，往往需要对微小振动的速率和幅度予以精确的测量，尤其是在航空航天领域，对微弱振动的研究更是有着深远的意义。在众多测量技术中，“双光栅”测量法以其简单实用的优点得到了广泛的应用。双光栅测弱振动是将光栅衍射原理、多普勒频移原理以及光拍测量技术等多学科结合在一起，把机械位移信号转化为光电信号测量弱振动振幅的一个实验。

1实验要求

1. 实验重点

①熟悉一种利用光的多普勒频移效应、形成光拍的原理及精确测量微弱振动位移的方法。

②了解双光栅微弱振动测量仪的原理和使用。

③作出外力驱动音叉时的谐振曲线，并研究影响共振频率和振幅的因素。

2. 预习要点

① 本实验是如何获得光拍的？你觉得还有其它方法产生光拍吗？ ② 由本实验的光拍信号你可以获得哪些信息？

③ 你认为哪些因素会影响共振频率？作外力驱动音叉谐振曲线时,音叉驱动信号的功率需要固定吗?

④ 本实验中如何才能调出光滑的光拍？

2 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