6、雙光柵測(cè)微振動(dòng)

雙光柵測(cè)微振動(dòng)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)（一）趙改清實(shí)驗(yàn)?zāi)康?實(shí)驗(yàn)儀器2實(shí)驗(yàn)原理3實(shí)驗(yàn)內(nèi)容4報(bào)告要求5主要內(nèi)容一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶?shí)驗(yàn)背景

激光雙光柵法測(cè)微小位移是通過(guò)雙光柵形成光拍的原理來(lái)精確測(cè)定微弱的振動(dòng)位移，主要用于力學(xué)實(shí)驗(yàn)中作音叉振動(dòng)的分析、微弱振幅（位移）的測(cè)量和光拍研究等，是用光學(xué)手段研究力學(xué)問(wèn)題。1、了解光的多普勒頻移形成光拍的原理；2、精確測(cè)量微弱振動(dòng)位移的方法；3、測(cè)量出外力驅(qū)動(dòng)音叉時(shí)的諧振曲線；實(shí)驗(yàn)?zāi)康亩?shí)驗(yàn)原理2.1、光柵和光柵方程光柵d為光柵常數(shù)；θ為衍射角；λ為波長(zhǎng)激光平面波dθ沿衍射角方向的光程差為：dsinθ光程差滿足波長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí)，疊加為明條紋，即：光柵方程：光柵：平面光柵是由一系列等寬又等間距的平行狹縫所組成。二、實(shí)驗(yàn)原理2.2、位相光柵激光平面波xyd出射的褶曲波陣面波位相光柵當(dāng)激光平面波垂直入射到正弦型位相光柵,由于位相光柵上不同的光密和光疏媒質(zhì)部分對(duì)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，如圖所示。由于衍射干涉作用，在遠(yuǎn)場(chǎng)卡那里光柵方程為：d為光柵常數(shù)；θ為衍射角；λ為波長(zhǎng)2.3、位相光柵的多普勒頻移二、實(shí)驗(yàn)原理移動(dòng)的位相光柵的k級(jí)衍射光波有一個(gè)多普勒頻移二、實(shí)驗(yàn)原理2.4、光拍的獲得與檢測(cè)：在檢測(cè)器方向上,頻率不同、頻率差較小的的光束疊加產(chǎn)生光拍取k=1光的頻率很高，光電檢測(cè)器對(duì)這么高的頻率不能有所反應(yīng)，所以光電檢測(cè)器只能反應(yīng)（5）式中第四項(xiàng)拍頻訊號(hào)光拍頻率太高檢測(cè)不到二、實(shí)驗(yàn)原理2.4、光拍的獲得與檢測(cè)：拍頻波形數(shù)的計(jì)算a波群首b波群尾三、實(shí)驗(yàn)儀器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(kāi)關(guān)，4—音叉座，5—音叉，6—?jiǎng)庸鈻牛ㄕ吃谝舨嫔系墓鈻牛?—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(hào)發(fā)生器輸出功率調(diào)節(jié)，16—信號(hào)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(hào)輸出插口，Y1拍頻信號(hào)，Y2音叉驅(qū)動(dòng)信號(hào)，X為示波器提供“外觸發(fā)”掃描信號(hào)，可使示波器上的波形穩(wěn)定。3.1、儀器部件三、實(shí)驗(yàn)儀器半個(gè)周期（一個(gè)波群）內(nèi)的波數(shù)光源靜光柵動(dòng)光柵起振器音叉光電檢測(cè)示波器光電檢測(cè)器輸出的信號(hào)隨光拍信號(hào)的光強(qiáng)有節(jié)拍地變換3.2、儀器原理四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容頻率波數(shù)振幅a：波群首b:波群尾4.1測(cè)量音叉的諧振曲線實(shí)驗(yàn)步驟（1）幾何光路調(diào)整微調(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(guò)。調(diào)節(jié)光電池架手輪，讓某一級(jí)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。（3）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。如音叉諧振太強(qiáng)烈，將“功率”旋鈕向小鐘方向轉(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。（4）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(kāi)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，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(duì)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。（5）測(cè)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－－振幅曲線。頻率Hz波數(shù)A（mm)507.93.500.01755084.000.0200508.14.500.0225508.25.250.0263508.36.250.0313508.49.250.0463508.512.750.0638508.617.250.0863508.721.250.1063508.827.250.1363508.923.000.115050910.000.0500509.26.000.0300509.35.700.0285509.45.100.0255509.54.250.0213509.63.500.0175509.73.250.0163音叉的諧振曲線五、報(bào)告要求5.1數(shù)據(jù)處理：做音叉的諧振曲線1．如何判斷動(dòng)光柵與靜光柵的刻痕已平行？2．作外力驅(qū)動(dòng)音