一種基于干涉儀的多普勒效應(yīng)測量裝置

范 玉 吳雪峰

河南理工大學(xué) 河南焦作 454000

一種基于干涉儀的多普勒效應(yīng)測量裝置

范 玉 吳雪峰

河南理工大學(xué) 河南焦作 454000

利用干涉儀原理和多普勒效應(yīng)，設(shè)計出基于干涉儀的新型多普勒效應(yīng)測量裝置。分析了測量裝置工作原理及調(diào)整步驟，利用該裝置設(shè)計了激光多普勒速度與音頻辨別實驗，以及多普勒效應(yīng)中反射鏡運動速度的測量實驗。該測量裝置拓展了干涉儀在科研和實驗教學(xué)中的用途，為研究多普勒效應(yīng)提供了新的思路和方法。

干涉儀；多普勒效應(yīng)；頻移

物理學(xué)家多普勒在1842年提出多普勒效應(yīng)理論：輻射的頻率在輻射源或接收器運動時會產(chǎn)生變化。多普勒的理論在聲學(xué)中首先得以證實，聲波源或其接收器的運動速度與聲音的傳播速度有直接的聯(lián)系，聲源或聽者運動時聲調(diào)發(fā)生變化，稱為多普勒效應(yīng)[1-3]。

多普勒效應(yīng)是大學(xué)物理重點和難點之一，其本身的公式復(fù)雜，條件煩瑣，學(xué)生不易掌握。為深入理解多普勒效應(yīng)，本文在干涉儀的基礎(chǔ)上設(shè)計了一套結(jié)構(gòu)簡單的實驗裝置。干涉儀是一種光學(xué)儀器，在大學(xué)物理實驗中占有重要地位。它包含一個分束器，可把入射光束分成強度相等的兩束光。這兩束分開的光被指定走過光程不等的路徑再合并起來。如果光程不是相差很大，就會發(fā)生干涉效應(yīng)[4,5]。

為了達到預(yù)期的教學(xué)效果，根據(jù)現(xiàn)有實驗條件，搭建了測量平臺，需要增加儀器不多，測量成本不高。本文所提出的方法與傳統(tǒng)方法相比使教學(xué)與實驗都變得更加容易，在實驗過程中設(shè)備調(diào)節(jié)也簡單。該儀器設(shè)計精巧，可向?qū)W生直觀展示結(jié)果，使學(xué)生充分理解枯燥乏味的理論知識，為研究多普勒效應(yīng)提供了新的思路和途徑。

1 干涉儀原理及調(diào)整步驟

1.1 干涉儀原理

干涉儀示意圖如圖1所示，主要是由一個分束器B和兩個反射式平面鏡M1和M2組成，分束器(半透射、半反射玻璃片，具有平行的鍍銀兩面)被定位成與入射光成45度夾角。分束器把入射光束分成兩支相等光強的光束。一束光是從分束器的前表面反射出來的，另一束光則從分束器的后表面透射出來。每束光又各被一個平面鏡反射，循著原路反射。這兩束光被平面鏡反射之后，在分束器那里重合，發(fā)生干涉，成為一束出射光束(與入射光束成90度)，呈現(xiàn)出干涉圖樣。

1.2 干涉儀調(diào)整步驟

干涉儀光學(xué)結(jié)構(gòu)如圖1所示，為了在屏上得到放大的干涉條紋，按下列步驟進行調(diào)整。

(1)激光器La安置在可調(diào)節(jié)的移動滑座上。

(2)將透鏡針孔式空間濾光器SF固定在激光器前端，調(diào)節(jié)濾光器可得到發(fā)射光束。

(3)分束器組件B放置在支架座上，確保分束器中

心與激光器的距離大約是150毫米。

(4)將帶有可調(diào)平面鏡M1的工作臺組件放置在靠近分光器組件的位置上，平面鏡M1與分束器初始中心距是40毫米。

(5)安裝固定的平面鏡M2，距離分束器中心40毫米。

(6)放置接收屏W，距離分束器大約1.5米到3米，用來接收干涉條紋。

(7)調(diào)節(jié)激光器使光束集中到可調(diào)平面鏡M1的中心。此時，透鏡L暫時不用，不要放在光路當(dāng)中。

(8)定位M2，使分束器反射的激光光束照射到它的中心。在觀察屏上現(xiàn)在應(yīng)該看到兩個圓形紅色斑塊。

(9)轉(zhuǎn)動控制M1方向的調(diào)節(jié)螺旋，把屏上兩個亮斑重疊起來。為了看到條紋，要使兩個圓斑充分重疊。得到條紋后，再稍微調(diào)節(jié)兩個測微螺旋，可使條紋組的中心移到屏上。

(10)完成上面的調(diào)節(jié)過程后，為了在屏上得到放大的干涉條紋，此時可在光路中插入會聚透鏡L，如圖1所示。

圖1 干涉儀工作原理圖

1.3 平面鏡M1的移動實驗

干涉儀的接收屏上可觀察到如下的現(xiàn)象：如果兩個平面鏡準確地互相垂直，那么光路干涉條紋就是一些同心圓。移動M1到離分束器中心大約50毫米，在屏上即可看到大量的圓形條紋，而且它們的間隔很密。此時若向分束器(向內(nèi))移動M1，則條紋將逐漸收縮，而圖樣中心處的條紋將一個接一個地消失。當(dāng)M1走過相等路徑的位置以后(依然向分束器移動)，屏的中心條紋向外移動。因此條紋是與剛才方向相反，反過來移動的，隨著路徑之差增加，看到的條紋會越來越多。

2 多普勒系統(tǒng)的原理

多普勒效應(yīng)在微波雷達系統(tǒng)里用于測定活動靶子的速度。反射信號同本機振蕩器產(chǎn)生的參考信號成拍，頻率之差正比于靶的速度。如圖2所示，假設(shè)激光頻率為f，波長為λ的準直激光光束垂直照射到表面鍍銀的平面反射鏡上，此鏡以速度v趨近光源。

圖2 光學(xué)多普勒系統(tǒng)原理圖

反射光束來自虛光源S’，具有頻率f’，S’以速度2v趨近S。接收入射波和反射波的光探測器PD探測出拍頻f-f’=△f=2fv/c，由于f=c/λ，所以△f=2v/λ。再考查S和S’同固定點PD(光探測器)之間的光程差，當(dāng)平面鏡移動λ/2時，光程差改變λ。由于入射波同反射波互相干涉，因此掠過參考點PD干涉條紋的移動速率等于平面鏡速度的兩倍。

3 基于干涉儀的光學(xué)多普勒系統(tǒng)的裝置

為了構(gòu)建基于干涉儀的多普勒系統(tǒng)的裝置，將干涉儀進行如下改進：將接收屏改為光電探測器，并將探測器與放大器相連，放大器輸出端再連接揚聲器或示波器，即可演示來自運動平面鏡的多普勒頻移。探測器可使用光度表、光電管或光電二極管等，只要有足夠的靈敏度和頻率響應(yīng)即可，具體裝置如圖3所示。

圖3 基于干涉儀的多普勒系統(tǒng)的裝置示意圖

3.1 激光多普勒雷達速度與音頻辨別實驗

光探測器PD的輸出端接到放大器Amp的輸入端，放大器的輸出反饋給揚聲器。反射鏡M1裝在傳動螺桿架上，推動緩慢移動反射鏡M1，可以清楚地聽到產(chǎn)生的多普勒哨聲。反射鏡M1緩慢移動時，揚聲器發(fā)出低沉的聲音；M1移動得越快，產(chǎn)生聲音的頻調(diào)越高，多普勒“哨聲”就越高；反射鏡移動地太快，達到一定程度會產(chǎn)生大于20千赫的頻率變化，這時反而聽不見的超聲頻率。這種現(xiàn)象演示了激光多普勒雷達優(yōu)越的速度辨別性，辨別率是正比于載頻f的。

3.2 利用多普勒效應(yīng)測量反射鏡運動速度的實驗

如果把示波器接到放大器輸出端，本裝置還可完成另一項實驗功能，即可以實現(xiàn)對反射鏡運動速度v的測量。根據(jù)公式λ=2v/△f，由于激光波長λ是已知的，并且拍頻(△f=多普勒頻移)匹配到校對過的信號發(fā)生器上可得到△f數(shù)值，即可計算出測量裝置中的反射鏡的運動速度。

4 結(jié)束語

本文介紹了一種基于干涉儀測量多普勒頻移現(xiàn)象的實驗方法。在干涉儀的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上對接收屏進行了改進，可以方便快速地觀察多普勒頻移現(xiàn)象。本裝置簡易便捷，其中的設(shè)計也可用于其他有關(guān)多普勒效應(yīng)的領(lǐng)域。同時，學(xué)生通過實踐，可在較短的時間內(nèi)對所學(xué)枯燥的理論知識有生動形象的認識，提高了課程的教學(xué)效果和效率，培養(yǎng)了大學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和創(chuàng)造性。實驗結(jié)果表明：作為一種對干涉儀應(yīng)用的有益拓展，該實驗方法實用可靠，科學(xué)可行，可重復(fù)性強，操作簡明，適用于科研教學(xué)。

[1] 沈熊.激光多普勒測速技術(shù)及應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社,2004.

[2] 李秀明,黃戰(zhàn)華,朱猛.擴展光束型激光多普勒速度測量系統(tǒng)[J].光學(xué)精密工程,2013,21(5):1102-1109.

[3] 王晟,邵珺,李國華.基于檢測分子瑞利散射光多普勒頻移的流場多點速度測量[J].中國激光,2015,42(10):272-278.

[4] 鄧鋰強,梁一機.干涉儀實驗簡易防震臺的設(shè)計[J].廣東石油化工學(xué)院學(xué)報,2013,23(4):60-63.

[5] 母國光,戰(zhàn)元齡.光學(xué)[M].北京:高等教育出版社,2008.

銳捷RG-BDS：“態(tài)勢感知”守護校園網(wǎng)絡(luò)信息安全

一直以來，學(xué)校的信息中心都肩負著校園IT架構(gòu)管理與安全的重則，但由于該部門的日常業(yè)務(wù)工作量極大，一般無法實現(xiàn)實時監(jiān)控，在一定程度上忽視了安全問題，往往都只能在前端出現(xiàn)故障問題后，再手忙腳亂地解決，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)環(huán)境階段性癱瘓，影響教育教學(xué)的正常運行。針對這一問題，銳捷網(wǎng)絡(luò)于近日發(fā)布了最新網(wǎng)絡(luò)威脅治理解決方案，并正式推出大數(shù)據(jù)安全平臺RG-BDS(以下簡稱“RG-BDS平臺”)。RG-BDS平臺結(jié)合大數(shù)據(jù)分析應(yīng)用“網(wǎng)絡(luò)威脅態(tài)勢感知”領(lǐng)域的技術(shù)突破，解決海量安全日志管理和安全問題預(yù)警與定位的技術(shù)難題，通過六層縱深架構(gòu)和四步智能分析算法，利用大數(shù)據(jù)分析模型等自主創(chuàng)新技術(shù)，為學(xué)校用戶清晰呈現(xiàn)安全整體態(tài)勢并實時感知、精準定位威脅源頭。

RG-BDS平臺整體架構(gòu)包括了六層模型：安全管理對象、事件采集、專項管理、大數(shù)據(jù)分析、業(yè)務(wù)功能、綜合展現(xiàn)。通過四步法則：第一步，收集并標準化海量數(shù)據(jù)，構(gòu)建安全大數(shù)據(jù)倉庫；第二步，日志、資產(chǎn)、漏洞關(guān)聯(lián)分析，直擊要害問題；第三步，工單系統(tǒng)+知識庫，實現(xiàn)閉環(huán)安全管理；第四步，量化呈現(xiàn)安全業(yè)績，實時跟蹤安全態(tài)勢；最終達成掌握安全態(tài)勢和量化展示安全工作業(yè)績的管理目標。

現(xiàn)已有多所高校已試用了RG-BDS平臺，顯著提升了校園網(wǎng)絡(luò)信息安全監(jiān)控效率。未來，銳捷網(wǎng)絡(luò)將基于一直以來堅持的貼近用戶應(yīng)用場景打造解決方案的原則，優(yōu)化RG-BDS平臺，推出具有教育行業(yè)典型特點的專屬版本，更貼切地解決校園網(wǎng)絡(luò)信息安全問題。

Device of Doppler Effect System Based on Michelson Interferometer

Fan Yu, Wu Xuefeng

Henan Polytechnic University, Jiaozuo, 454000, China

The interference principle and characteristics of Doppler effect are preliminarily analyzed and studied. On the basis of interferometer, a new type of Doppler effect measuring device is designed. The principle and adjustment steps of the measuring device are analyzed. The experiment of the speed and audio discrimination of the laser Doppler radar is carried out by the device. And the experiment of measuring the movement speed of the mirror in the Doppler effect is carried out. The combination of interferometer and Doppler effect is extended to its application in the research and teaching. New idea and method is provided for the study of the Doppler effect.

interferometer; Doppler effect; frequency shift

2016-04-29

范玉，博士，講師。吳雪峰，博士，講師。

河南省教育廳高等學(xué)校重點科研項目(編號：16A416003)。