雙光柵微弱振動(dòng)位移測量實(shí)驗(yàn)?zāi)康碾p光柵微弱振動(dòng)測量儀在力學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中用作音叉振動(dòng)分析、微振幅（位移）測量和光拍研究等.熟悉一種利用光的多普勒頻移形成光拍的原理，精確測量微弱振動(dòng)位移的方法.作出外力驅(qū)動(dòng)音叉時(shí)的諧振曲線.實(shí)驗(yàn)原理1。位相光柵的多普勒頻移：當(dāng)激光平面波垂直入射到位相光柵時(shí)，由于位相光柵上不同的光密和光疏媒質(zhì)部分對光波的位相延遲作用，使入射的平面波變成出射時(shí)的摺曲波陣面，見圖2,由于衍射干涉作用，在遠(yuǎn)場，我們可以用大家熟知的光柵方程即（1）式來表示：dsin0二n九 ⑴位相光柵位相光柵（式中d為光柵常數(shù)，為衍射角，九為光波波長）然而，如果由于光柵在y方向以速度v移動(dòng)著，則出射波陣面也以速度v在y方向移動(dòng)。從而，在不同時(shí)刻，對應(yīng)于同一級的衍射光線，它的波陣面上出發(fā)點(diǎn)，在y方向也有一個(gè)vt的位移量，見圖3。dsin0二n九 ⑴這個(gè)位移量相應(yīng)于光波位相的變化量為人0°）.A0（t）=j?As=jvsin0九 九t （2）(1)代入(2)：A0(t)=_v=n2兀 t=n?d(1)代入(2)：A0(t)=_v=n2兀 t=n?d(3)①=2k—式中ad現(xiàn)把光波寫成如下形式：E=Et+A0(t))]00+n?d)t}(4)顯然可見，移動(dòng)的位相光柵的n級衍射光波，相對于靜止的位相光柵有一個(gè):(5)的多普勒頻率，如圖4所示2。光拍的獲得與檢測：光頻率甚高為了要從光頻?0中檢測出多普勒頻移量，必須采用“拍"的方法。即要把已頻移的和未頻移的光束互相平行迭加，以形成光拍。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，另一片A相對移動(dòng).激光通過雙光柵后所形成的衍射光，即為兩種以上光束的平行迭加。如圖5所示，

光柵A按速度vA移動(dòng)起頻移作用，而光柵B靜止不動(dòng)只起衍射作用,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加，這樣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4.E=Ecos6t+9)光束1：11001(取n=1)光束2：E2=E20CO血0+3d)t+92](取n=1)光電流：1=eG光電流：1=eG]+e2匕E2cos26t+9)1001+E2cos2(p+3)t+920 0d 2+EEcos心+3-3)t+(910 20 0 d 0 2+EEcos心+3+3》+G+910 20 0 0 d 2 1G為光電轉(zhuǎn)換常數(shù))-申)]1)](6)因光波頻率30甚高,不能為光電檢測器反應(yīng)，所以光電檢測器只能反應(yīng)(6)式中第三項(xiàng)拍頻訊號：i=0^EEcosLot+s 10 20 d 2 1光電檢測器能測到的光拍訊號的頻率為拍頻7)1n=—其0d為光柵密度，本實(shí)驗(yàn)n0=100條/mm3。微弱振動(dòng)位移量的檢測:從(7)式可知，F(xiàn)拍與光頻率3°無關(guān)，且當(dāng)光柵密度n0為常數(shù)時(shí)，只正比于光柵移動(dòng)速度VA，如果把光柵粘在音叉上，則vA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：A=ITU)dt=丄TfF^tTOC\o"1-5"\h\z2 2n0 0 3=丄fF(t)dt2n 拍00fF()dt fF(t)dt拍拍式中T為音叉振動(dòng)周期，o 可直接在示波器的熒光屏上計(jì)算波形數(shù)而得到，因?yàn)椤?表示T/2內(nèi)的波的個(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

sin-iasin-1b+ + 波形數(shù)二整數(shù)波形數(shù) 360。 36°。式中，a,b為波群的首尾幅度和該處完整波形的振幅之比。（波群指T/2內(nèi)的波形，分?jǐn)?shù)波形數(shù)包括滿1/2個(gè)波形為0.5滿1/4個(gè)波形為0。25）實(shí)驗(yàn)儀器圖5雙光柵微弱振動(dòng)測量儀，面板結(jié)構(gòu)見圖1。圖1中,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—?jiǎng)庸鈻牛ㄕ吃谝舨嫔系墓鈻牛?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,Y1拍頻信號，Y2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?？梢钥吹剑瑢?shí)驗(yàn)所需的激光源、信號發(fā)生器、頻率計(jì)等已集成于一只儀器箱內(nèi)，只需外配一臺普通的雙蹤或單蹤示波器即可。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1。連接將雙蹤示波器的Y1、Y2、X外觸發(fā)輸入端接至雙光柵微弱振動(dòng)測量儀的Y1、Y2（音叉激振信號，使用單蹤示波器時(shí)此信號空置）、X（音叉激振驅(qū)動(dòng)信號整形成方波，作示波器“外觸發(fā)”信號）的輸出插座上，示波器的觸發(fā)方式置于“外觸發(fā)"；Y1的V/格置于0°1V/格一0.5V/格；“時(shí)基"置于0.2ms/格;開啟各自的電源。圖6：單蹤示波器顯示的拍頻波 圖7：雙蹤示波器顯示的拍頻波和音叉驅(qū)動(dòng)波2。操作(1)幾何光路調(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。音叉諧振調(diào)節(jié)先將“功率”旋鈕置于6—-7點(diǎn)鐘附近，調(diào)節(jié)“頻率”旋鈕，(500Hz附近)，使音叉諧振。調(diào)節(jié)時(shí)用手輕輕地按音叉頂部，找出調(diào)節(jié)方向.如音叉諧振太強(qiáng)烈，將“功率”旋鈕向小鐘點(diǎn)方向轉(zhuǎn)動(dòng)，使在示波器上看到的T/2內(nèi)光拍的波數(shù)為10?20個(gè)左右較合適。波形調(diào)節(jié)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。測出外力驅(qū)動(dòng)音叉時(shí)的揩振曲線固定“功率”旋鈕位置，小心調(diào)節(jié)“頻率”旋鈕，作出音叉的頻率一一振幅曲線。改變音叉的有效質(zhì)量，研究諧振曲線的變化趨勢，并說明原因。(改變質(zhì)量可用橡皮泥或在音叉上吸一小塊磁鐵.注意，此時(shí)信號輸出功率不能變)思考題如何判斷動(dòng)光柵與靜光柵的刻痕已平行？作外力驅(qū)動(dòng)音叉諧振曲線時(shí)，為什么要固定信號功率？在動(dòng)光柵前、后加偏振片對實(shí)驗(yàn)結(jié)果會(huì)有怎么的影響？是分析之。4?該實(shí)