周 麗，王美娜

(海軍大連艦艇學(xué)院，遼寧大連 116018)

1 激光多普勒測(cè)微振動(dòng)原理

光的多普勒效應(yīng)是指光源、接受器、傳播介質(zhì)或中間反射器之間的位置變化所引起的接收器接收到的光波頻率較光源頻率發(fā)生變化的現(xiàn)象［1］。

激光束垂直入射到一塊固定在微振動(dòng)物體的動(dòng)光柵上，根據(jù)光的多普勒效應(yīng)，衍射光波會(huì)發(fā)生頻移，頻移量即為多普勒頻移。多普勒頻移ωd與動(dòng)光柵的速度v成正比，與光柵常數(shù)d成反比，即

因此，獲得多普勒頻移就可確定動(dòng)光柵的速度，速度對(duì)時(shí)間積分即微振動(dòng)位移。

由于光波頻率較高，為了檢測(cè)出頻移量，衍射光波要再經(jīng)過(guò)一塊靜光柵，發(fā)生第二次衍射，如圖1。當(dāng)雙光柵距離比較小，通過(guò)靜光柵出射的衍射光中包含了兩種以上頻率不同而方向平行的光束，這樣的光束疊加后形成光拍。

根據(jù)F=ωd/2π，將ωd代入整理可得:其中速度v隨時(shí)間t變化，則微弱振動(dòng)的位移振幅為:

光拍信號(hào)的拍頻較低，可以利用光電檢測(cè)器將拍頻信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，從示波器顯示輸出。通過(guò)對(duì)光拍信號(hào)波形的觀測(cè)和分析，就可以求得運(yùn)動(dòng)光柵的微振動(dòng)位移［2，3］。

圖1 雙光柵測(cè)微振動(dòng)原理

2 影響光拍波形的因素

實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，很難得到理想的光拍信號(hào)。經(jīng)過(guò)分析，影響光拍波形的因素有兩方面。

2．1 波形“毛刺”問(wèn)題

實(shí)際到達(dá)檢測(cè)器的光束并非只是相鄰平行光束，可能是多束非相鄰光的疊加，所以產(chǎn)生的光拍信號(hào)頻率含有豐富的高次諧波。表現(xiàn)在波形上，就是“毛刺”?！懊獭眹?yán)重時(shí)，影響波形數(shù)的統(tǒng)計(jì)，給實(shí)驗(yàn)結(jié)果帶來(lái)誤差。所以，需要剔除光拍信號(hào)中的“毛刺”，達(dá)到改善波形的目的［4］。

2．2 波形“包絡(luò)”問(wèn)題

波形數(shù)由完整波形數(shù)和不是一個(gè)完整波形的分?jǐn)?shù)部分組成。分?jǐn)?shù)部分又分為首尾滿1/2或1/4或3/4個(gè)波形的分?jǐn)?shù)部份和不足1/2個(gè)波形按照反正弦函數(shù)折算出來(lái)的分?jǐn)?shù)部分，其中a、b為幅度h和該處完整波形的幅度H之比，如圖2。

絕大部分情況下，光拍信號(hào)的峰值是不相等的，而是有明顯的振幅調(diào)制，表現(xiàn)在波形上，就是我們看到的是“包絡(luò)”。受“包絡(luò)”的影響，波形數(shù)a、b值計(jì)算會(huì)產(chǎn)生誤差。因此，需要設(shè)法去除或減小包絡(luò)，以提高測(cè)量的精度。

圖2 波群首尾數(shù)統(tǒng)計(jì)

3 實(shí)驗(yàn)方法的改進(jìn)

3．1 改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置，解決“毛刺”問(wèn)題

光束的疊加程度跟光束寬度和間距有關(guān)，光束寬度由激光器的工作材料和內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定，不可調(diào)整。而光束間距可通過(guò)改變雙光柵間距進(jìn)行調(diào)整。

為了實(shí)現(xiàn)手動(dòng)連續(xù)調(diào)節(jié)雙光柵間距，同時(shí)保證靜光柵在移動(dòng)時(shí)，與動(dòng)光柵在同一直線，兩光柵之間不會(huì)發(fā)生角度變化。設(shè)計(jì)并加工制作了靜光柵調(diào)節(jié)底座，如圖3。該裝置設(shè)計(jì)由一對(duì)傳動(dòng)比約為2 1的齒輪帶動(dòng)絲桿旋轉(zhuǎn)，與絲桿齒合的可調(diào)螺母通過(guò)頂塊帶動(dòng)動(dòng)光柵移動(dòng)，移動(dòng)距離由數(shù)顯游標(biāo)卡尺讀出。手輪轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，動(dòng)光柵移動(dòng)1 mm，數(shù)顯容柵尺最小分度值為10－2mm，實(shí)現(xiàn)雙光柵間距的最小調(diào)節(jié)距離為10－2mm。實(shí)驗(yàn)時(shí)，手動(dòng)旋轉(zhuǎn)測(cè)微鼓輪推動(dòng)靜光柵移動(dòng)，就可以觀察光拍波形變化，從而實(shí)現(xiàn)消除“毛刺”提高測(cè)量精度。

圖3 靜光柵調(diào)節(jié)底座

3．2 優(yōu)化調(diào)節(jié)方法，減小“包絡(luò)”問(wèn)題

對(duì)于同一級(jí)衍射光，由于音叉振動(dòng)時(shí)有伴隨轉(zhuǎn)動(dòng)效應(yīng)，該效應(yīng)使振動(dòng)光柵衍射光在平衡位置附近作微小振動(dòng)，光電檢測(cè)器進(jìn)光量隨時(shí)間正弦變化，從而導(dǎo)致了衍射光斑邊緣的強(qiáng)度變化。由于音叉的伴隨轉(zhuǎn)動(dòng)是固有的，不能消除，因此必須考慮抑制或避免檢測(cè)振動(dòng)光柵衍射光左右邊緣強(qiáng)度不穩(wěn)定的部分［5］。

此外，隨著音叉驅(qū)動(dòng)頻率的增加，振動(dòng)幅度加大，激振換能器與音叉會(huì)間斷性的接觸，產(chǎn)生振動(dòng)的同時(shí)也阻尼了音叉的振動(dòng)，影響了音叉振幅度，光電流波形會(huì)出現(xiàn)失真。因此需要參考光拍波形調(diào)整激振頻率。

找到了包絡(luò)的形成原因，可以將實(shí)驗(yàn)的調(diào)節(jié)方法進(jìn)行如下改進(jìn)。

①調(diào)整幾何光路，讓激光器發(fā)出的光束從動(dòng)光柵中心通過(guò)，使衍射光落入光電檢測(cè)器的小孔內(nèi)。

②調(diào)節(jié)激振換能器的位置及頻率，音叉振動(dòng)。緩慢移動(dòng)光電檢測(cè)器的位置，由于光斑邊緣進(jìn)光量的變化，所以示波器顯示波形會(huì)出現(xiàn)幅度變化。根據(jù)幅度的變化情況，調(diào)整至光電檢測(cè)器檢測(cè)光斑中心。

③調(diào)整激振頻率。當(dāng)波形振幅最大還未出現(xiàn)失真時(shí)，此時(shí)音叉振動(dòng)無(wú)阻尼且幅度最大。

④安裝靜光柵。一般情況下，可以直接看到光拍。經(jīng)過(guò)前面的調(diào)節(jié)，影響光拍波形幅度的原因只剩下雙光柵間距和夾角。所以，仔細(xì)調(diào)節(jié)靜光柵即可獲得包絡(luò)較小的穩(wěn)定光拍。

4 實(shí)驗(yàn)效果及結(jié)論

采用新裝置和新方法調(diào)整后，得到的最理想光拍波形如圖4。

圖4 光拍波形圖

此時(shí)音叉驅(qū)動(dòng)頻率為:508．1 Hz，得到的波數(shù)為

將d=1/100 mm代入公式，計(jì)算得出微小振動(dòng)幅度為A=0．005 9 mm。

裝置和調(diào)整方法改進(jìn)后，對(duì)于初學(xué)者的學(xué)生而言，由過(guò)去盲調(diào)變成了有目的性精調(diào)。提高了實(shí)驗(yàn)的效率，增加了實(shí)驗(yàn)的研究性。

［1］ 馬文蔚，解希順，周雨青．物理學(xué)(下冊(cè))［M］．8版．北京:高等教育出版社，2007:277-279．

［2］ 邵奇．大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教程［M］．北京:海潮出版社，2010．

［3］ 楊靜，陳曉花，潘晨．用激光雙光柵法測(cè)量微小位移的實(shí)驗(yàn)研究［J］．上饒師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2012(3):42-48．

［4］ 黃壯雄，潘永華，宋偉，等．激光雙光柵法測(cè)微小位移中光拍信號(hào)波形改進(jìn)［J］．大學(xué)物理，2004(4):59-61．

［5］ 張鵬，周惠君，王思慧．激光雙光柵法測(cè)微小位移中光拍信號(hào)的振幅調(diào)制［J］．實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2009(28):15-19．