激光多普勒效应实验仪的设计

　2001 年 2 月第12卷 第1期 指 挥 技 术 学 院 学 报 Journal of Inst itu te of Comm and and T echno logy February　2001 V o l. 12　N o11 　收稿日期: 2000212218 　作者简介: 郝建华 (1973- ) , 男, 讲师, 硕士, 101416, 北京. 激光多普勒效应实验仪的设计 郝建华　　孙华燕 (装备指挥技术学院 测量控制系) 　　摘　　　要: 为了解决激光多普勒效应在实验室演示比较困难问题, 介绍了一 种采用双光栅法实现激光多普勒效应的实验仪器, 分析了双光栅法多普勒效应原理, 给出了该仪器的组成结构, 并分析了该仪器的特点。实验明: 采用双光栅法实现激 光多普勒效应操作简单、效果明显。 关　键　词: 激光; 多普勒效应; 实验 中图分类号: TH 741　　　　文献标识码: A 　　激光多普勒测量技术, 特别是测量速度技术, 自 60 年代问世以来, 因其非接触、测量精度高、空 间分辨率高、测量范围广、动态响应快等特点而得 到了飞速发展。不仅在流体力学、空气动力学等方 面有广泛的应用, 而且在雷达、瞬态速度测量等方 面也有重要的应用。因此, 许多院校的很多专业都 把激光多普勒效应列为必开的一个实验。然 而, 光的多普勒效应演示比较困难。通常采用 1 套 迈克耳逊干涉仪装置来进行演示。但是, 采用这一 套装置来演示多普勒效应时, 必须在专门的有防 震设施的光学实验室里进行, 并要遮光。而且在发 音 1 kH Z 时, 动臂的移动速度仅是 0. 316 mm ös, 操作必须十分缓慢小心。因此, 作为教学演示是不 方便的。 本文介绍一种采用移动光栅的多普勒频移及 光拍频检测方法来演示激光多普勒效应, 可完全 克服上述缺点, 是一种较好的激光多普勒效应演 示方法。 1　激光多普勒效应[1 ] 当光射向一个运动着的物体时, 从观察者 (或 光电接收器)看来, 由运动物体散射的光将产生频 率变化, 这就是光的多普勒频移。它与物体的运动 速度、方向, 入射光的波长、方向和观察者的位置 有关, 如果后几个因素都是已知的, 则只要测出频 率变化, 就可以推算出物体的运动速度。 假设光源S 静止, 如图 1 所示。接收能量的点 Q 以速度V 运动, 光速为 C , 波长为 Κ, 若Q 点距 光源 S 足够远 (相对于光波长 Κ) , 就可以考虑接 近Q 点的光波为平面波。在单位时间内,Q 点沿 Q S 方向所走的距离为V co s Η, 这样在单位时间 内Q 点比静止时先得到更多的波数, 从Q 点看到 的频率增量为 ∃ f = V co s ΗΚ 　　因为C = f Κ, f 是光源所发射的光频率, 则频 率相对变化量为 ∃ f f = V co s Η C (1) 这就是多普勒频移的基本公式。 图 1　激光多普勒效应示意图 2　激光多普勒实验仪原理 若平面衍射光栅在自身平面内以速度V 运 动, 光栅线距为 d , 平面光波以角度 Η1 入射, 假设 以角度 Η2 衍射 (如图 2 所示)。入射波前和衍射波 前与光栅平面交点为O。在 t 时刻, 从O 到光栅第 © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net n 条线的距离ON 可写为 x = ON = nd + x 0- V t, 其中 x 0 是常数。这样, 经过N 点在OA 和OB 之 间的光程长是 l= x (co s Η1+ co s Η2) , 因此得到的 多普勒频移为[2 ]∃Μ= - 1Κ d ld t = VΚ (co s Η1 + co s Η2) (2) 图 2　衍射光栅的多普勒频移 　　因为形成干涉增强的条件是光栅相邻线衍射 光波的光程差必须是波长的整数倍, 也就是 d (co s Η1+ co s Η2) = m Κ, 其中m 是衍射级。因此, 由 (2)式得: ∃Μ= m Vd (3) 　　也就是说, 频移是等于对给定点每秒扫过的 线数与衍射级数的乘积。而负的衍射级当然得到 的是符号相反的频移。 图 3　转动光栅盘多普勒效应原理图 若把光栅做在圆盘上, 光栅线可以连续扫过 入射光, 衍射光连续移动, 如图 3 所示。 通常都取一级衍射光, 因为它的强度较高。 这种方法频移大约最高可到 5M H z。若光栅间隔 为 4 Λm (即 250 线ömm ) , 速度是 10 m ös, 即用直 径为 10 cm 光栅盘, 以2 000 rös 转速转动。要得 到更高转速, 机械振动影响难以克服, 因此更高频 移需用其它方法。 因光频极高, 多普勒频移量很难直接检出, 宜 通过光“拍”法检出。形成光“拍”的途径有多种。归 根结底是要使 2 束有频差的激光束平行叠加。在 这里, 采用了双光栅法形成拍频。如图 4 所示。把 频移后的散射光射向第二块光栅, 在后面形成光 混频。 图 4　双光栅衍射图 为了检出由运动光栅形成的衍射条纹中的多 普勒频移量。在运动光栅后面再设置一片具有相 同密度的固定光栅, 通过双光栅后的各衍射级均 包含了 2 种光频分量。因而能形成光“拍”频, 即Μ拍 = m Vd (3) 　　用光阑取出某一级衍射光, 经光电元件转换, 光电放大器放大后, 送至扬声器发声。由 (3)式可 知, 若测得 Μ拍 为 1 kH z, 当光栅的密度为 100 条ö mm 时, 光栅的运动速度相当于 10 mm ös; 如用 50 mm ös 的光栅时, 光栅的运动速度为 20 mm ö s。这样的运动速度适中, 操作容易, 不需暗室, 可 在任何教学现场演示。 3　实验仪组成结构 本实验仪由 2 部分组成, 设计成组件形式, 2 部分由电缆连接起来, 2 个光栅均采用圆盘光栅, 如图 5 所示。 音量控制 音箱 图 5 实验仪结构图 双光栅 装置 光阑 光电池 信号源电机 激光器 电缆光电 放大器 直流 稳压源示波器 29 指 挥 技 术 学 院 学 报　　　　　　　　　　　　 　 　2001 年 © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 第一部分由信号源、电机、双光栅装置、激光 器以及光电池组成。信号源产生某一频率信号带 动电机转动, 运动光栅圆盘的轴线与电机转动轴 连接在一起 (见图 6) , 因此运动光栅跟着转动。当 有激光通过运动光栅时, 产生多普勒效应, 由固定 光栅检出差频光信号, 光电池将该光差频信号转 变为电信号。光阑起滤除杂散光与高级衍射光作 用。 　　第二部分由电源、前置放大器、信号处理电 4 3 2 57 6 1 1—通用座, 可作为光学演示仪的插件; 2—电机, 旋转时带动运动光栅绕轴线转动; 3—运动光栅; 4—固定光栅; 5—光阑; 6—光电池; 7—高频插座, 接后续光电信号处理电路 图 6　双光栅装置结构图 路、音箱以及示波器组成。差频信号经前置放大电 路放大, 由信号处理电路滤除噪声与干扰后, 驱动 音箱发声, 或者接入示波器观察信号波形。 可见, 信号源信号频率高, 光栅运动速度大, 多普勒频移量亦大, 听到的音调也高, 如外接示波 器, 则看到的波形就密。 操作时需调节激光束和光电池盒的位置, 使 + 1 或- 1 的衍射光能顺利通过光阑到达光电池 表面。先将信号源频率调得比较小, 用示波器观察 波形, 然后逐渐增大信号源频率, 调节音量到适当 大小, 观察波形与声音的变化。 4　结　论 该实验仪已经作为光电工程专业实验装置在 光电技术实验室投入使用。并充分发挥了其操作 简便、投入少、演示效果直观的特点。 参　考　文　献 [ 1 ] 孙渝生. 激光多普勒测量技术及其应用[M ]. 上海: 上海科学 技术文献出版社, 1998. [ 2 ] 刘振玉. 光电技术[M ]. 北京: 北京理工大学出版社, 1989. The D e s ign of Expe rim e n t Ins trum e n t of La s e r D opp le r Effe c t HAO J ian2hua　SUN H ua2yan (D epartm en t of T rack ing and Contro l, Institu te of Comm and and T echno logy of Equ ipm ent) A bs tra c t: In o rder to so lve the p rob lem that laser Dopp ler effect is d iff icu lt to demon stra te in lab2 o rato ry. T he paper in troduces a k ind of experim en t in st rum en t of laser Dopp ler effect based on doub le gra t ing . T he doub le gra t ing p rincip le of Dopp ler effect and con st itu te fram e of experim en t in st rum en t are analyzed . T he characterist ics of the experim en t in st rum en t are a lso p resen t . Experim en ts show it is easy to m an ipu la te and the effect iveness is obviou s in th is w ay. Ke y w o rds: laser; Dopp ler effect; experim en t in st rum en t (责任编辑: 朱凤丽) 39第 1 期　　　　　　　　　　　　　　郝建华, 等: 激光多普勒效应实验仪的设计 © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net