炭复合材料单晶生长热场系统项目可行性研究报告.doc

实验十激光双光栅法测量微小位移
一、实验目的
,精确测量微弱振动位移的方法。
。
二、实验仪器
双光栅微弱振动测量仪,GDS-620示波器
三、实验原理
:
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,使入射的平面波变成出射时的摺曲波阵面,见图2,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即(1)式来表示:
(1)
图2
X
v
激光平面波
d
位相光栅
Y
出射摺曲波阵面
(式中d为光栅常数,为衍射角,为光波波长)

图4
+2 level , w0 + 2wd

+1 level , w0 + wd
0 level , w0
-1 level, w0 – wd
-2 level, w0 -2 wd
V
w0
vt
图3
T=t时刻的波前
T=0时刻的波前
v
ΔS
n级(T=t)
n级(T=0)
θ
图3
然而,如果由于光栅在y方向以速度v移动着,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,它的波阵面上出发点,在y方向也有一个的位移量,见图3。
这个位移量相应于光波位相的变化量为。
(2)
(1)代入(2):

(3)
式中,现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:
(5)
的多普勒频率,如图4所示
:
w0 - wd
w0
w0 + wd
w0
w0 + wd
w0 + wd
w0
w0 - wd
w0 - wd
w0 + w
w0
vA
He – Ne
A
w0 - w
B
vB=0
图5
w0
光频率甚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。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。激光通过双光栅后所形成的衍射光,即为两种以上光束的平行迭加。如图5所示,光栅A按速度移动起频移作用,而光栅B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。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:
光束2: (取n=1)
光电流: (为光电转换常数)
(6)
因光波频率甚高,不能为光电检测器反应,所以光电检测器只能反应(6)式中第三项拍频讯号:

光电检测器能测到的光拍讯号的频率为拍频
(7)
其为光栅密度,本实验=100条/mm
:
从(7)式可知,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:

式中T为音叉振动周期,可直接在示波器的荧光屏上计算波形