双光栅多普勒效应测量微小振动实验

本实验为新开设实验。共有两套仪器。

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由于波源或观测者发生运动，导致接收到的频率与发射频率不同，称为多普勒效应。例如，救护车等特种车辆在靠近与远离路人时，路人听到的鸣笛声音调是不同的。 光波也有多普勒效应，产生红/蓝移现象。 本实验基于光的多普勒效应，来探测微小的振动，具有较高的敏感度。

本实验中，光源的振动由一个随着音叉一起振动的光栅来实现。由于振动的方向和激光传播的方向垂直，因此，其导致的频移不仅依赖于光栅的速度（和振动的参数有关），还依赖于激光的出射角。 由于光栅只有在特定角度（对应不同的级数）才会有出射光，因此不同级的出射光的频移是不同的。这样我们就得到一系列角度分离，频率不同的出射光，如下图所示。

利用光栅出射角度与光栅结构之间的关系及多普勒效应频移公式，我们可以得到，相邻出射角的光线频率差为

其中，v为光栅的运动速度，由于其在随音叉振动，因此不断随时间改变。d为光栅栅距（与光栅目数相关）。

可见激光的频率很高，示波器等常见仪器无法实现相应的时间分辨率，如何测量光频率的改变？ 在本实验中，我们贴着振动光栅，平行放置一个静止的相同参数的光栅，它们的出射角度是完全一致的。第一个光栅的出射光照到第二个光栅后，会将不同频率的光混合。 频率非常相近的相干波（相干性由激光保证）会形成拍。从上式可估算出拍的频率并不高，在示波器的测量范围内。双光栅原理如下图所示。

光电传感器接受混合后的激光信号，然后和示波器连接。在示波器上我们就可以观察到拍。如下图所示：

因此，本实验的基本内容是通过测量拍的频率、波数来得到光栅的速度和振动的振幅。

基本内容（第一周）：

1,了解掌握双光栅多普勒效应的原理。

2,调节光路和仪器，在示波器上看到明显的拍。

3,学会使用该实验方法测量振动的相关参数，并测量音叉的品质因子。

拓展内容（第二、三周）:

激光器（红光），光栅，音叉，起振器，综合实验仪，示波器。

为什么选择光栅？其在该实验中起了什么作用？是否可以替换成其它实验器件？

示波器上观察到的周期信号，哪个是拍的周期？ 音叉振动的周期能否读出？

• 实验讲义.zip 实验讲义
• 产品说明书.zip 产品说明书，包含部分原理。具体实验内容以讲义为准。
• 以下请根据所选探索内容，在第二、三周实验后参考
• 双光栅测微弱振动实验原理修正.pdf 翟立朋等，大学物理，第38卷第10期，编号1000-0712（2019）10-0041-06