西安交通大学综合与近代物理实验9.7用双光栅测量微弱震动
双光栅测微振动实验报告
课程名称：大学物理实验（二）实验名称：双光栅测微振动光拍的获得与检测在检测器方向上, 频率不同、频率差较小的的光束叠加产生光拍E 1=E 10cos(ω0t +φ1) (7)E 2=E 20cos [(ω0+ωd )t +φ2] (8)E 1+E 2)2102cos 2(ω0t +φ1)+E 202cos 2[(ω0+ωd )t +φ2]+E 10E 20cos [(ω+φ2)]+ E 10E 20cos [(ω0−ω0+ωd )t +(φ1−φ2)] (9)光的频率很高，光电检测器对这么高的频率不能有所反应，所以光电检测器只能反应（ f 拍=ωd 2π=V A d=nV A (10)图5 双光栅测微振动实验器具组1—光电池升降调节手轮 2—光电池座，在顶部有光电池盒，盒前有一小孔光阑 3—电源开关4—音叉座 5—音叉 6—动光栅（粘在音叉上的光栅） 7—静光栅（固定在调节架上）8—静光栅调节架 9—半导体激光器 10—激光器升降调节手轮 11—调节架左右调节止紧螺钉12—激光器输出功率调节 13—耳机插孔 14—音量调节 15—信号发生器输出功率调节16—信号发生器频率调节 17—静光栅调节架升降调节手轮 18—驱动音叉用的蜂鸣器19—蜂鸣器电源插孔 20—频率显示窗口位移振幅A(mm)频率f(Hz)图7 不同频率下音叉的振幅七、结果陈述与总结：7.1结果陈述实验测量出音叉的谐振曲线如附录所示。
音叉振动频率从507.9Hz升至508.5Hz，音叉的振幅缓慢地从0.0188mm变大至0.0625mm。
音叉振动频率从508.5Hz升至508.7Hz，音叉的振幅急剧地从0.0625mm变大至0.1375mm；音叉振动频率从508.7Hz升至508.9Hz，音叉的振幅急剧地从0.1375mm变小至0.0725mm。
音叉振动频率从508.9Hz升至509.6Hz，音叉的振幅缓慢地从0.0725mm变小至0.0175mm。
双光栅测量微弱振动
激 光器：λ=635nm,0~30mW 信号发生器：120~950Hz， 0.1Hz微调，0~650mW输出 音叉谐振频率：500Hz 频率计：(1~999.9)±0.1Hz
FB505型 双光栅微弱振动测量仪 mV 耳机插孔 11
激光器功率调节
Y1 Y2 X
12 功率调节显示 Hz 频率粗调 频率细调 频率调节显示 功率调节
拍频和光频无关，正比于光栅移动速度vA 微弱振动的位移振幅 只要测得拍频波的个数，就可得到微弱振动的位移振幅 4．拍频波个数的计算方法 ．
波形数=整数波形数+波的首数和尾数 中满1/2或1/4或3/4个波形分数部分+
sin −1 a sin −1 b + 0 0 360 360
实验仪器
FB505型双光栅微弱振动测量仪、双踪示波器
实验内容
1．将示波器上的Y1、Y2、X和 FB505型双光栅 微弱振动测量仪Y1、Y2、X的插孔对接 2．几何光路调整 观察示波器的波形直到有很漂亮的拍频波为至 3．音叉谐振调节 示波器上看到的T/2内的光拍的个数为15个左右 4．测出外力驱动音叉时的谐振曲线
【预习思考题】 预习思考题】
1．如何判断动光栅和静光栅已平行 2．作外力驱动音叉谐振曲线时，为什么要 固定信号的功率？ 3．测量微振动位移的灵敏度是多少？
制作：黄 勇
武汉理工大学物理实验中心
1. 位移光栅的多普勒频移 激光从一静止光栅出射时，光波的电矢量方程为： E=E0COSω0t 激光从移动光栅出射时，光波电矢量变为： E=E0COS[ω0t+∆φ(t)] =E0COS[(ω0+kωd)t] 移动的光栅相对于静止的光栅， v 它的k级衍射波有一个多普勒频移 ω
大学物理实验：双光栅测量微弱振动位移量
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：λθk d ±=sin ⋅⋅⋅=,2,1,0k （1）式中 ，整数k 为主极大级数，d 为光栅常数，θ为衍射角，λ为光波波长。
如果光栅在y 方向以速度v 移动，则从光栅出射的光的波阵面也以速度v 在y 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y 方向也有一个vt 的位移量，见图2。
双光栅测微弱震动
用双光栅测量微弱振动用双光栅测量微弱振动一、 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；2. 作出外力驱动音叉时的谐振曲线。
二、 实验仪器双光栅微弱振动测量仪,双踪示波器。
三、实验原理1．位相光栅的多普勒频移所谓的位相材料是指那些只有空间位相结构，而透明度一样的透明材料，如生物切片、油膜、热塑以及声光偏转池等，他们只改变入射光的相位，而不影响其振幅。
位相光栅就是用这样的材料制作的光栅。
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，使入射的平面波在出射时变成折曲波阵面，如图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来表示：λθn d =sin（1）式中d 为光栅常数，θ为衍射角，λ为光波波长。
然而，如果由于光栅在y 方向以速度v 移动，则出射波阵面也以速度v 在y 方向移动。
从而在不同时刻，对应于同一级的衍射光线，它的波阵面上的点，在y 方向上也有一个vt 的位移量，如图2所示。
图1这个位移量对应于光波位相的变化量为)(t ∆Φθλπλπsin 22)(vt s t =∆∙=∆Φ （2）带入（2）tn t d vn dn vt t d ωπλλπ===∆Φ22)(（3）式中d v d πω2=把光波写成如下形式：()[]()[]t n i t t i E E d ωωω+=∆Φ+=000exp )(exp(4)显然可见，移动的位相光栅的n 级衍射光波，相对于静止的位相光栅有一个大小：d a n ωωω+=0（5）的多普勒频率，如图3所示。
2.光拍的获得与检测 光波的频率甚高，为了要从光频0ω中检测出多普勒频移，必须采用“拍”的方法。
也就是要把已频移的和未频移的光束相互平行叠加，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。
激光通过双光栅后形成的衍射光，即为两个光束的平行叠加。
双光栅微弱振动实验报告
双光栅微弱振动实验报告双光栅微弱振动实验报告引言：微弱振动是物理学中一个重要的研究领域，它涉及到许多实际应用，如地震监测、机械振动分析等。
在本次实验中，我们将使用双光栅技术来研究微弱振动现象，并探索其潜在应用。
实验装置：实验装置主要由激光器、双光栅、光电探测器和数据采集系统组成。
激光器产生一束单色、相干性很好的激光光束，该光束经过双光栅后会发生干涉现象。
光电探测器用于接收干涉信号，并将其转化为电信号。
数据采集系统则用于记录和分析电信号。
实验步骤：首先，我们将双光栅装置固定在一个平稳的支架上，并调整其位置，使得两个光栅的光程差为零。
然后，我们将激光器的光束照射到双光栅上，并将光电探测器放置在干涉图样的中心位置。
接下来，我们将通过改变实验装置的振动条件来研究微弱振动现象。
首先，我们将在实验装置上施加一个小的外力，例如用手轻轻拍击支架。
我们观察到干涉图样的形态发生了变化，这是因为振动引起了光栅的相对位移，从而改变了光程差。
然后，我们将通过改变外力的大小和频率来进一步研究微弱振动现象。
我们发现，当外力的频率接近光栅的固有频率时，干涉图样会出现明显的共振现象。
这是因为外力与光栅的固有振动频率相匹配，从而导致光栅的振幅增大。
结果与讨论：通过实验，我们成功地观察到了双光栅微弱振动现象，并研究了其频率响应特性。
我们发现，双光栅的共振频率与其固有振动频率密切相关。
这一发现对于设计和优化微弱振动传感器具有重要意义。
此外，我们还发现，双光栅的干涉图样对微弱振动非常敏感。
微小的振动可以导致干涉图样的形态发生明显变化，这为微弱振动的检测和测量提供了一种新的方法。
双光栅技术的高灵敏度和高分辨率使其在微弱振动领域具有广泛的应用前景。
结论：本次实验通过双光栅技术成功地研究了微弱振动现象，并探索了其潜在应用。
实验结果表明，双光栅具有高灵敏度和高分辨率，可以用于微弱振动的检测和测量。
这一技术在地震监测、机械振动分析等领域具有重要的应用前景。
双光栅测微弱振动实验原理修正
摘要：本文简述了双光栅形成光拍信号的过程与微弱振动测试的基本原理，通过仿真计算与实验测试相互对比，对光拍
信号的表达式进行了修正，振幅修正系数是由于光栅振动带动衍射光斑振动而产生的；同时，本文通过仿真计算解释了光拍
信号毛刺的产生原理，光拍信号的毛刺是由于高级衍射带来的，要想降低毛刺对光拍信号的影响，应尽量使光栅条纹平行或
射相位光栅时的原始相位．激光在通过衍射光栅以
后，会形成一排衍射光斑，任意两个衍射光斑之间的
光程相差波长的整数倍，所以任意两个衍射光斑之
间的相位相差 ２ 的整数倍，这相当于所有衍射光斑
都
同
相 将
位 由
，所以本文中全部用 式（５）产生的附加相
位φ０
来表示． 加入到式
（６
）中
，可
以得到振动光栅的第 ｋ 级衍射光的振幅，可表示为
Ｅｍａｉｌ ｚｈａｎｇｊｕｎｗｕ＠ ｍａｉｌ．ｘｊｔｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
４２
大 学 物 理
第 ３８ 卷
（ ） Φｋ
＝
２π Ａｃｏｓ
λ
ωｄ ｔ＋φｄ ｓｉｎ θ
（４）
再将光栅方程（１）代入式（４），将波长和衍射角替换
为光栅常数和衍射级数，可以得到
（ ） Φ
ｋ
＝
２π Ａｃｏｓ
ｄ
ωｄｔ＋φｄ ｋ
Φ
＝
２π Δ
ｓｓｉｎ
θ
（２）
λ
在本实验中相位光栅被贴在音叉上，所以相位光栅
会随音叉做周期性简谐振动，位移 Δｓ 可表示为
（ ） Δｓ ＝ Ａｃｏｓ ωｄ ｔ＋φｄ
（３）
其中 ωｄ 和 φｄ 分别代表光栅振动的频率和初相位，Ａ 为音叉振动的振幅，也是本实验要测量的微弱振动
利用双光栅测量微弱振动实验报告
利用双光栅测量微弱振动实验报告摘要：本实验利用双光栅干涉仪，测量了不同振幅、频率的微弱振动，并对测量结果进行了分析和讨论。
实验结果表明，双光栅干涉仪具有高精度、高灵敏度、高稳定性等优点，可用于测量微弱振动。
关键词：双光栅干涉仪；微弱振动；频率；振幅；测量；分析一、实验目的1.了解双光栅干涉仪的原理和应用。
2.掌握使用双光栅干涉仪测量微弱振动的方法和技巧。
3.研究不同振幅、频率的微弱振动的特性。
二、实验原理双光栅干涉仪是光学干涉仪的一种，它利用两个光栅形成的光路干涉，可测量物体在微小振动下所引起的位移。
双光栅干涉仪的原理如下：光源发出的光线经过第一根光栅时被分为两束光线，经过第二根光栅后再次汇合，形成干涉条纹。
当待测物体受到微弱振动时，它的表面会发生微小位移，导致光路长度发生变化，从而改变干涉条纹的位置和形态。
通过测量干涉条纹的变化，即可计算出物体的振幅、频率等参数。
三、实验装置本实验所使用的装置如下：1.双光栅干涉仪2.振动台3.振动源4.示波器5.信号发生器四、实验步骤1.将双光栅干涉仪放置在振动台上，并将振动源连接到干涉仪的测量端口。
2.调节振动源的频率和振幅，使待测物体发生微小振动。
3.观察干涉条纹的变化，记录下振动幅度、频率等参数。
4.将记录的数据输入到计算机中，进行数据处理和分析。
五、实验结果1.不同振幅下的干涉条纹变化我们分别将振幅设置为1mm、2mm、3mm进行实验，得到的结果如下图所示。
[插入图片]从图中可以看出，振幅越大，干涉条纹的变化越明显。
当振幅为1mm时，干涉条纹几乎没有变化；当振幅为2mm时，干涉条纹开始出现明显的移动；当振幅为3mm时，干涉条纹的移动幅度更大，且条纹之间的间距也发生了变化。
2.不同频率下的干涉条纹变化我们分别将频率设置为10Hz、20Hz、30Hz进行实验，得到的结果如下图所示。
[插入图片]从图中可以看出，频率越高，干涉条纹的变化越快。
当频率为10Hz时，干涉条纹的变化较为缓慢；当频率为20Hz时，干涉条纹开始出现较快的移动；当频率为30Hz时，干涉条纹的移动速度更快。
双光栅检测微弱振动位移量附录双光栅检测微弱振动位移量讲义
) (1)
式中 m 为衍射级数，d 为光栅常数，θ 为衍射角，λ 为光波波长。
如果光栅在 y 方向以速度 u 做简谐振动，则从光栅出射的光的波阵面也以同样速
度做简谐振动，因此在不同时刻，对应于同一级次的衍射光线，从光栅出射时，在 y 方
向将会产生位移量 ut，
图 1 光栅衍射原理图
如图 2 所示。
(6)
其中 ξ 为光电转换常数。
因光波频率很高，(6)式中第一项、第二项、第四项，光电池无法分辨，第三项为拍频
信号，因为频率较低，光电池能做出相应的响应，其光电流为可表示为
is = ξ{E10 E20 cos[(ω0 + ωd − ω0 )t + (ϕ2 − ϕ1 )]} = ξ{E10 E20 cos[ωd t + (ϕ 2 − ϕ1 )]}
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．用坐标纸作图，做出音叉的频率～振幅曲线； 4．选作内容：做出音叉不同有效质量时的谐振曲线，定性讨论其变化趋势。
讨论题
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?
4．谐振曲线的测量：在音叉谐振点附近，调节驱动信号频率，频率间隔 fn=(f0±0.1n)HZ,f0 是谐振频率，n=0，±1，±2 选 5 个点,分别测出对应拍频波的波数,计算出相应的振幅 An。
5．选作内容：改变音叉的有效质量，可以将塑料软管依次放入音叉不同位置的小孔里， 或将橡皮泥粘在音叉的不同位置，研究音叉谐振曲线的变化规律。 三、报告要求
图 2 用移动的皱褶波面来解释多普勒效应 (a)褶皱波面的相位超前 (b)不同衍射级次的频移
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图1
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，使入射的平面波在出射时变成折曲波阵面，如图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来表示
实验9.7用双光栅测量微弱振动
1842年多普勒(Doppler)提出，当波源和观察者彼此接近时，接收到的频率变高；而当波源和观察者彼此相离开时，接收到的频率变低。这种现象在电磁波和机械波中都存在。即当波源和观察者之间存在相对运动时，观察者所接收到的频率不等于波源振动频率，这种现象称为多普勒效应。而当光源与接收器之间有相对运动时，接收器感受到的光波频率不等于光源频率，这就是光学的多普勒效应或电磁波的多普勒效应。该效应已经在科学技术以及医学的许多领域得到应用。
式中： 为音叉振动周期。 可以直接在示波器的荧光屏上计算光拍波形数而得到，因为 表示 内的波的个数，不足一个完整波形，需要在波群的两端，按反正弦函数折算为波形的分数部分，即
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，分数波形数包括满1/2个波形为0.5，满1/4个波形为0.25）
四、实验仪器介绍
双光栅微弱振动测量仪面板结构如图5所示。
图5
1—光电池座，顶部有光电池盒，盒前方一小孔光阑；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；15—信号输出；Y1—拍频信号；Y2—音叉驱动信号；X—示波器提供“外触发”扫描信号，使得示波器显示的波形稳定
图4光束1：光来自2： （取 ）光电流： （ 为光电转换常数）(6)
因为光波 甚高，光电检测器不能检测，所以在(6)式中只有拍频信号
能被光电检测器检测出来。
光电检测器所能测到的光拍信号的频率为
(7)
式中： 为光栅常数，本实验中 条/毫米。
3.微弱振动位移量的检测
从(7)式可知， 与光频率 无关，且当光栅密度 确定时，与光栅移动速度 成正比。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 也是随时间变化的，微弱振动的位移振幅为
5.固定“功率”旋钮位置，调节“频率”旋钮，作出音叉的频率—振幅曲线（即外力驱动音叉时的谐振曲线）。
6.保持“功率”不变，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。
图7-实验现象参考图
六、思考题
1.如何判断动光栅与静光栅的刻痕已经平行？
2.做外力驱动音叉谐振曲线时，为什么要固定信号的功率？
实验装置原理图如图6所示。
图6
本仪器技术指标：测量精度： ；分辨率： ；激光器： ， ；音叉：谐振频率500Hz左右。
五、实验内容及步骤
1.将双踪示波器的CH1、CH2、“外触发”分别接到双光栅微弱振动测量仪的Y1、Y2和X的输出上；
2.小心取下“静光栅架”（注意保护光栅），稍稍松开激光器顶部的紧锁手轮，小心地上下左右调节激光器，让激光光束通过静止光栅的中心孔；调节光电池架手轮，让某一级衍射光正好落入光电池的小孔内。
式中： 。
把光波写成如下形式
(4)
显然可见，移动的位相光栅的n级衍射光波，相对于静止的位相光栅有一个大小为：
(5)
的多普勒频率，如图3所示。
2.光拍的获得与检测
光波的频率甚高，为了要从光频 中检测出多普勒频移，必须采用“拍” 的方法。也就是要把已频移的和未频移的光束相互平行叠加，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。激光通过双光栅后形成的衍射光，即为两个光束的平行叠加。如图4所示，光栅A以速度 移动，起频移作用，而光栅B静止不动，只起衍射作用，所以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相互平行的光。由于双光栅紧贴，激光束具有一定宽度，故该光束能平行叠加，这样直接而又简单地形成了光拍。当此光拍信号进入光电检测器，由于检测器的平方律检波性质，其输出光电流可由如下述关系求得
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？
(1)
式中： 为光栅常数，； 为衍射角； 为光波波长。
然而，如果由于光栅在 方向以速度 移动，则出射波阵面也以速度 在 方向移动。从而在不同时刻，对应于同一级的衍射光线，它的波阵面上的点，在 方向也有一个 的位移量，如图2所示。这个位移量对应于光波位相的变化量为 ，有
(2)
将(1)式带入(2)式有
(3)
3.小心装上“静光栅架”，并使其尽可能与动光栅接近，但不可相碰；将一扇观察屏放于光电池架处，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，这时应该能看到拍频波。如图7所示。
4.将“功率”旋钮调至6—7附近，再调节“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，找音叉的固有频率。如果音叉谐振太强烈，将“功率”旋钮调小，使示波器上看到的 内光拍的波数为10～20个为宜。
本实验用激光多普勒效应测量微弱振动。它是一种精密的光电系统，使用了多种光电转换和处理技术，是综合性很强的实验。
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
双光栅微弱振动测量仪，双踪示波器。
三、实验原理
1.位相光栅的多普勒频移