“激光多普勒效应测微振动”实验改进探析

周 丽，王美娜

(海军大连舰艇学院，辽宁大连 116018)

1 激光多普勒测微振动原理

光的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位置变化所引起的接收器接收到的光波频率较光源频率发生变化的现象［1］。

激光束垂直入射到一块固定在微振动物体的动光栅上，根据光的多普勒效应，衍射光波会发生频移，频移量即为多普勒频移。多普勒频移ωd与动光栅的速度v成正比，与光栅常数d成反比，即

因此，获得多普勒频移就可确定动光栅的速度，速度对时间积分即微振动位移。

由于光波频率较高，为了检测出频移量，衍射光波要再经过一块静光栅，发生第二次衍射，如图1。当双光栅距离比较小，通过静光栅出射的衍射光中包含了两种以上频率不同而方向平行的光束，这样的光束叠加后形成光拍。

根据F=ωd/2π，将ωd代入整理可得:其中速度v随时间t变化，则微弱振动的位移振幅为:

光拍信号的拍频较低，可以利用光电检测器将拍频信号转化为电信号，从示波器显示输出。通过对光拍信号波形的观测和分析，就可以求得运动光栅的微振动位移［2，3］。

图1 双光栅测微振动原理

2 影响光拍波形的因素

实际实验中，很难得到理想的光拍信号。经过分析，影响光拍波形的因素有两方面。

2．1 波形“毛刺”问题

实际到达检测器的光束并非只是相邻平行光束，可能是多束非相邻光的叠加，所以产生的光拍信号频率含有丰富的高次谐波。表现在波形上，就是“毛刺”。“毛刺”严重时，影响波形数的统计，给实验结果带来误差。所以，需要剔除光拍信号中的“毛刺”，达到改善波形的目的［4］。

2．2 波形“包络”问题

波形数由完整波形数和不是一个完整波形的分数部分组成。分数部分又分为首尾满1/2或1/4或3/4个波形的分数部份和不足1/2个波形按照反正弦函数折算出来的分数部分，其中a、b为幅度h和该处完整波形的幅度H之比，如图2。

绝大部分情况下，光拍信号的峰值是不相等的，而是有明显的振幅调制，表现在波形上，就是我们看到的是“包络”。受“包络”的影响，波形数a、b值计算会产生误差。因此，需要设法去除或减小包络，以提高测量的精度。

图2 波群首尾数统计

3 实验方法的改进

3．1 改进实验装置，解决“毛刺”问题

光束的叠加程度跟光束宽度和间距有关，光束宽度由激光器的工作材料和内部结构决定，不可调整。而光束间距可通过改变双光栅间距进行调整。

为了实现手动连续调节双光栅间距，同时保证静光栅在移动时，与动光栅在同一直线，两光栅之间不会发生角度变化。设计并加工制作了静光栅调节底座，如图3。该装置设计由一对传动比约为2 1的齿轮带动丝杆旋转，与丝杆齿合的可调螺母通过顶块带动动光栅移动，移动距离由数显游标卡尺读出。手轮转动一圈，动光栅移动1 mm，数显容栅尺最小分度值为10－2mm，实现双光栅间距的最小调节距离为10－2mm。实验时，手动旋转测微鼓轮推动静光栅移动，就可以观察光拍波形变化，从而实现消除“毛刺”提高测量精度。

图3 静光栅调节底座

3．2 优化调节方法，减小“包络”问题

对于同一级衍射光，由于音叉振动时有伴随转动效应，该效应使振动光栅衍射光在平衡位置附近作微小振动，光电检测器进光量随时间正弦变化，从而导致了衍射光斑边缘的强度变化。由于音叉的伴随转动是固有的，不能消除，因此必须考虑抑制或避免检测振动光栅衍射光左右边缘强度不稳定的部分［5］。

此外，随着音叉驱动频率的增加，振动幅度加大，激振换能器与音叉会间断性的接触，产生振动的同时也阻尼了音叉的振动，影响了音叉振幅度，光电流波形会出现失真。因此需要参考光拍波形调整激振频率。

找到了包络的形成原因，可以将实验的调节方法进行如下改进。

①调整几何光路，让激光器发出的光束从动光栅中心通过，使衍射光落入光电检测器的小孔内。

②调节激振换能器的位置及频率，音叉振动。缓慢移动光电检测器的位置，由于光斑边缘进光量的变化，所以示波器显示波形会出现幅度变化。根据幅度的变化情况，调整至光电检测器检测光斑中心。

③调整激振频率。当波形振幅最大还未出现失真时，此时音叉振动无阻尼且幅度最大。

④安装静光栅。一般情况下，可以直接看到光拍。经过前面的调节，影响光拍波形幅度的原因只剩下双光栅间距和夹角。所以，仔细调节静光栅即可获得包络较小的稳定光拍。

4 实验效果及结论

采用新装置和新方法调整后，得到的最理想光拍波形如图4。

图4 光拍波形图

此时音叉驱动频率为:508．1 Hz，得到的波数为

将d=1/100 mm代入公式，计算得出微小振动幅度为A=0．005 9 mm。

装置和调整方法改进后，对于初学者的学生而言，由过去盲调变成了有目的性精调。提高了实验的效率，增加了实验的研究性。

［1］ 马文蔚，解希顺，周雨青．物理学(下册)［M］．8版．北京:高等教育出版社，2007:277-279．

［2］ 邵奇．大学物理实验教程［M］．北京:海潮出版社，2010．

［3］ 杨静，陈晓花，潘晨．用激光双光栅法测量微小位移的实验研究［J］．上饶师范学院学报，2012(3):42-48．

［4］ 黄壮雄，潘永华，宋伟，等．激光双光栅法测微小位移中光拍信号波形改进［J］．大学物理，2004(4):59-61．

［5］ 张鹏，周惠君，王思慧．激光双光栅法测微小位移中光拍信号的振幅调制［J］．实验室研究与探索，2009(28):15-19．