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双光栅微弱振动测量实验报告.pdf

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双光栅微弱振动测量实验 【目的要求】 1.熟悉利用光的多普勒频移形成光拍的原理,掌握精确测量微弱振动位移的方 法。 2.做出外力驱动音叉时的谐振曲线。 【仪器用具】 双光栅微弱振动测量仪、数字示波器 【原 理】 1. 位相光栅的多普勒频移: 多普勒效应:由于波源和观察者之间有相对运动,使观察者感到频率发生变 化的现象,叫做多普勒效应。当波源和观察者之间距离减小时,观察者接收到波 的频率升高,当波源和观察者之间距离增大时,观察者接收到波的频率降低。 当激光平面波垂直入射到位相光栅 (衍射光栅)上时,由于光栅的衍射干涉 作用而发生衍射,在远场 (无限远处或透镜的焦平面上)形成衍射图样,衍射角 由光栅方程表示:   (1) d s i n  n 如果由于光栅在y方向以速度 移动着,则出射的衍射波的波阵面也以速度  在y方向移动。在不同时刻,对应于同一级的衍射光线,它的波阵面上的一点, 在y方向有 的位移量,即衍射图样在y方向有 的位移量,这个位移量相当  t  t 于光波产生了 的光程差,相应的相位的变化量为:  2 2      (t)    tsin   由光栅方程得:  2   2  n     (t)  tsin  t  2n t  n t   d d d 式中:  2  。 d d     光波写成如下形式:E  E ei[ t (t)]0  E ei[( n )t]0 d 0 0 则移动的位相光栅的 级衍射光波,相对于静止的位相光栅有一个n      n a 0 d 的多普勒频率。 2.光拍的获得与检测: 光的频率非常高,为了要从光频 中检测出多普勒频移量,必须采用“拍”  0 的方法。即把已频移的和未频移的光束互相平行迭加,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(固定在底座上), 另一片 A 相对移动(固定在音叉上随音叉振动而上下运动)。激光通过双光栅 后各自形成衍射光波在光栅后还要相互叠加,在远场为两种以上平行光束的迭 加。移动的光栅A起频移作用,而静止不动光栅B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,这样就直接而又简单地形成了光拍。 当此光拍讯号进入光电检测器,由于检测器的平方律检波性质,其输出光电 流可由下述关系求得: 光束1:   E 

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