大学物理实验：双光栅测量微弱振动位移量.doc

实验二十五 双光栅测量微弱振动位移量
精密测量在自动化控制的領域里一直扮演着重要的角色，其中光电测量因为有较佳的精密性与准确性，加上轻巧、无噪音等优点，在测量的应用上常被采用。作为一种把机械位移信号转化为光电信号的手段，光栅式位移测量技术在长度与角度的数字化测量、运动比较测量、数控机床、应力分析等领域得到了广泛的应用。
多普勒频移物理特性的应用也非常广泛，如医学上的超声诊断仪、测量海水各层深度的海流速度和方向、卫星导航定位系统、音乐中乐器的调音等。
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、微振幅(位移)、测量和光拍研究等。

【实验目的】
1. 了解利用光的多普勒频移形成光拍的原理并用于测量光拍拍频；
2. 学会使用精确测量微弱振动位移的一种方法；
3. 应用双光栅微弱振动测量仪测量音叉振动的微振幅。

【实验原理】
1． 位移光栅的多普勒频移
多普勒效应是指光源、接受器、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。对于位相光栅，当激光平面波垂直入射时，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，见图1。
激光平面波垂直入射到光栅，由于光栅上每缝自身的衍射作用和各缝之间的干涉，通过光栅后光的强度出现周期性的变化。在远场，我们可以用大家熟知的光栅衍射方程即(1)式来表示主极大位置：
图1 出射的摺曲波阵面
（1）
式中 ，整数为主极大级数，为光栅常数，为衍射角，为光波波长。
如果光栅在方向以速度移动，则从光栅出射的光的波阵面也以速度在 方向移动。因此在不同时刻，对应于同一级的衍射光线，它从光栅出射时，在方向也有一个的位移量，见图2。
这个位移量相应于出射光波位相的变化量为

(2)
将（1）代入(2)得：
(3)
式中
若激光从一静止的光栅出射时，光波电矢量方程为

图2 衍射光线在方向上的位移量
而激光从相应移动光栅出射时，光波电矢量方程则为

(4)

显然可见，移动的位相光栅的级衍射光波，相对于静止的位相光栅有一个：

的多普勒频移，如图3所示

图3 移动光栅的多普勒频率
2、光拍的获得与检测

光频率很高为了要从光频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。由于拍频较低，容易测得，故通过拍频即可检测出多普勒频移量。
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，一片静止，另一片相对移动。激光通过双光栅后所形成的衍射光，即为两种以上光束的平行迭加。其形成的第k级衍射光波的多普勒频移如图4所示。
图4 k级衍射光波的多普勒频移
光栅按速度移动起频移作用，而光栅静止不动只起衍射作用，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，激光束具有一定宽度故该光束能平行迭加，这样直接而又简单地形成了光拍。如图5所示。
激光经过双光栅所形成的衍射光叠加成光拍信号。光拍信号进入光电检测器后，其输出光电流可由下述关系求得：
光束1：
光束2： （ 取 ）
光电流：

（6）
其中为光电转换常数
因光波频率甚高，在式（6）第一、二、四项中，光电检测器无法反应，式（6）第三项即为拍频信号，因为频率较低，光电检测器能作出相应的响应。其光电流为

拍频即为：
(7)
图5 频差较小的二列光波叠加形成“拍”
其中 为光栅密度，本实验条/。

3、微弱振动位移量的检测
从式（7）可知，与光频率无关，且当光栅密度为常数时，只正比于光栅移动速度，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而变化的，微弱振动的位移振幅为：

图6 示波器显示拍频波形

式中为音叉振动周期。表示时间内的拍频波的个数。所以，只要测得拍频波的波数，就可得到微弱振动的位移振幅。
波形数由完整波形数、波的首数、波的尾数三部分组成，根据示波器上显示计算。波形的分数部份为不足一个完整波形的首数及尾数，需在波群的两端，可按反正弦函数折算为波形的分数部份，即
波形数=整数波形数+波的首数和尾数中满或或个波形分数部份
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，分数波形数若满个波形为，满个波形为0.25，满个波形为0.75。

例题：如图7，在内，整数波形数为4，尾数分数部分已满
波形，=0.6/1=0.6
所以
波形数=
图7 计算波形数

【实验装置】
实验仪器：激光源、信号发生器、频率计（上述仪器已集成在测量仪箱内）
激光器：，
信号发生器：，微调，输出
频率计：
音叉谐振频率： 左右
双光栅微弱振动测量仪面板结构见图8。

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- 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- 频率显示窗口 15- 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。）
图8 双光栅微弱振动测量仪面板结构

【实验内容】
1. 预习《示波器的应用》，熟悉双踪示波器的使用方法。
2. 将示波器的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的输出插座上，开启各自的电源。
3. 几何光路调整。
小心取下“静光栅架”， (不可擦伤光栅)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。
4． 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，注意不可让它们相碰！用一白纸作为观察屏，放于光电池架前观察光斑，慢慢转动光栅架，仔细观察调节，使得两个光束尽可能重合。去掉观察屏，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。
5. 音叉谐振调节。
先将“功率”旋钮置于6—7点钟附近，调节“频率”旋钮，(500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。如音叉谐振太强烈，将“功率”旋钮向小钟点方向转动，使在示波器上看到的内光拍的波数为15个左右。记录此时音叉振动频率、屏上完整波的个数、不足一个完整波形的首数及尾数值以及对应该处完整波形的振幅值。
6. 测出外力驱动音叉时的谐振曲线。
固定“功率”旋钮位置，在音叉谐振点附近，小心调节“频率”旋钮，测出音叉的振动频率与对应的信号振幅大小，记录下数据。
7. 保持信号输出功率不变，逐一将橡皮泥粘在音叉上改变音叉的有效质量，调节“频率”旋钮，研究谐振曲线的变化趋势。

【数据处理】
1． 求出音叉谐振时光拍信号的平均频率；
2． 求出音叉在谐振点时作微弱振动的位移振幅；
3． 在坐标纸上画出音叉的频率—振幅曲线；
4． 作出音叉不同有效质量时的谐振曲线，定性讨论其变化趋势。

【思考题】
1. 如何判断动光栅与静光栅的刻痕已平行?
2. 作外力驱动音叉谐振曲线时，为什么要固定信号功率?
3. 本实验测量方法有何优点？测量微振动位移的灵敏度是多少?

【参考资料】
1．杨选民、冯壁华等，南京大学《普通物理实验讲义一激光双光栅法则微小位移》
2． 易明等， 《南京大学学报》p 1984年4期， 《几种位相光栅的移频效应》
3． 是度芳、贺渝龙 ，《基础物理实验》
123