完整word版-光拍頻法測量光速

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)專心-專注-專業(yè)精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)光拍頻法測量光速光波是電磁波，光速是最重要的物理常數(shù)之一。光速的準(zhǔn)確測量有重要的物理意義，也有重要的實用價值?；疚锢砹块L度的單位就是通過光速定義的。測量光速的方法很多，有經(jīng)典的有現(xiàn)代的。我們需要的是物理概念清楚、成本不高而且學(xué)生能夠在實驗桌上直觀、方便地完成測量的那種方法。我們知道，光速c=s/t，s是光傳播的距離，t是光傳播s所需的時間。例如c=f中，相當(dāng)上式的s，可以方便地測得，但光頻f大約1014Hz，我們沒有那樣的頻率計，同樣傳播距離所需的時間t=1/f也沒有

2、比較方便的測量方法。如果使f變得很低，例如30MHz，那么波長約為10m。這種測量對我們來說是十分方便的。這種使光頻“變低”的方法就是所謂“光拍頻法”。本實驗利用激光束通過聲光移頻器,獲得具有較小頻差的兩束光,它們迭加則得到光拍;利用半透鏡將這束光拍分成兩路，測量這兩路光拍到達同一空間位置的光程差（當(dāng)相位差為2時光程差等于光拍的波長）和光拍的頻率從而測得光速。一、實驗?zāi)康?掌握光拍頻法測量光速的原理和實驗方法,并對聲光效應(yīng)有一初步了解。2通過測量光拍的波長和頻率來確定光速。二、原理1.光拍的形成及其特征 根據(jù)振動疊加原理，頻差較小，速度相同的兩列同向傳播的簡諧波疊加即形成拍。若有振幅相同為E0

3、、圓頻率分別為和（頻差較小）的二光束： 式中，為波數(shù)，和為初位相。若這兩列光波的偏振方向相同，則疊加后的總場為：圖1 拍頻波場在某一時刻t的空間分布上式是沿x軸方向的前進波，其圓頻率為，振幅為，因為振幅以頻率為周期性地變化，所以E被稱為拍頻波，稱為拍頻，為拍頻波的波長。2.光拍信號的檢測用光電檢測器（如光電倍增管等）接收光拍頻波，可把光拍信號變?yōu)殡娦盘?。因為光檢測器光敏面上光照反應(yīng)所產(chǎn)生的光電流與光強（即電場強度的平方）成正比，即 g為接收器的光電轉(zhuǎn)換常數(shù)。光波的頻率： Hz；光電接收管的光敏面響應(yīng)頻率一般109Hz 。因此檢測器所產(chǎn)生的光電流都只能是在響應(yīng)時間（） 內(nèi)的平均值。 結(jié)果中高頻項

4、為零，只留下常數(shù)項和緩變項，緩變項即是光拍頻波信號，是與拍頻相應(yīng)的角頻率，為初位相。 可見光檢測器輸出的光電流包含有直流和光拍信號兩種成分。濾去直流成分 ，檢測器輸出頻率為拍頻、初相位、相位與空間位置有關(guān)的光拍信號（見圖1）。3.光拍的獲得 為產(chǎn)生光拍頻波, 要求相疊加的兩光波具有一定的頻差。這可通過聲波與光波相互作用發(fā)生聲光效應(yīng)來實現(xiàn)。介質(zhì)中的超聲波能使介質(zhì)內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)變引起介質(zhì)折射率的周期性變化,就使介質(zhì)成為一個位相光柵。當(dāng)入射光通過該介質(zhì)時發(fā)生衍射,其衍射光的頻率與聲頻有關(guān)。這就是所謂的聲光效應(yīng)。本實驗是用超聲波在聲光介質(zhì)與HeNe激光束產(chǎn)生聲光效應(yīng)來實現(xiàn)的。 具體方法有兩種,一種是行波法

5、,如圖2（a）所示,在聲光介質(zhì)與聲源(壓電換能器)相對的端面敷以吸聲材料,防止聲反射,以保證只有聲行波通過介質(zhì)。當(dāng)激光束通過相當(dāng)于位相光柵的介質(zhì)時，使激光束產(chǎn)生對稱多級衍射和頻移,第L級衍射光的圓頻率為,其中是入射光的圓頻率, 為超聲波的圓頻率,L=0,1,2,.為衍射級。利用適當(dāng)?shù)墓饴肥沽慵壟c+l級衍射光匯合起來, 沿同一條路徑傳播,即可產(chǎn)生頻差為的光拍頻波。 另一種是駐波法,如圖2(b)所示,在聲光介質(zhì)與聲源相對的端面敷以聲反射材料,以增強聲反射。沿超聲傳播方向, 當(dāng)介質(zhì)的厚度恰為超聲半波長的整數(shù)倍時,前進波與反射波在介質(zhì)中形成駐波超聲場, 這樣的介質(zhì)也是一個超聲位相光柵,激光束通過時也要

6、發(fā)生衍射,且衍射效率比行波法要高。第L級衍射光的圓頻率為.若超聲波功率信號源的頻率為F=W /2p,則第L級衍射光的頻率為.式中L,m=0,士1,2,.,可見,除不同衍射級的光波產(chǎn)生頻移外,在同一級衍射光內(nèi)也有不同頻率的光波。因此,用同一級衍射光就可獲得不同的拍頻波。例如,選取第1級（或零級）,由m=0和m=-1的兩種頻率成分疊加, 可得到拍頻為2F的拍頻波。本實驗即采用駐波法。駐波法衍射效率高，并且不需要特殊的光路使兩級衍射光沿同向傳播，在同一級衍射光中即可獲得拍頻波。圖2 相拍二光波獲得示意圖4.光速c的測量實驗通過實驗裝置獲得兩束光拍信號，在示波器上對兩光拍信號的相位進行比較，測出兩光拍

7、信號的光程差及相應(yīng)光拍信號的頻率，從而間接測出光速值。假設(shè)兩束光的光程差為L，對應(yīng)的光拍信號的相位差為，當(dāng)二光拍信號的相位差為2時，即光程差為光拍波的波長時，示波器熒光屏上的二光束的波形就會完全重合。由公式便可測得光速值c。式中L為光程差，F(xiàn)為功率信號發(fā)生器的振蕩頻率。三 儀器與裝置 本實驗所用儀器有CG-型光速測定儀、示波器和數(shù)字頻率計各一臺。1、光拍法測光速的電路原理：電路原理圖如圖3所示。1）發(fā)射部分 長250mm的氦氖激光管輸出激光的波長為632.8nm，功率大于1mw的激光束射入聲光移頻器中，同時高頻信號源輸出的頻率為15MHZ左右、功率1w左右的正弦信號加在頻移器的晶體換能器上，在

8、聲光介質(zhì)中產(chǎn)生聲駐波，使介質(zhì)產(chǎn)生相應(yīng)的疏密變化，形成一位相光柵，則出射光具有兩種以上的光頻，其產(chǎn)生的光拍信號為高頻信號的倍頻。圖3 光拍法測光速的電原理圖2）光電接收和信號處理部分 由光路系統(tǒng)出射的拍頻光，經(jīng)光電二極管接收并轉(zhuǎn)化為頻率為光拍頻的電信號，輸入至混頻電路盒。該信號與本機振蕩信號混頻，選頻放大，輸出到示波器的Y輸入端。與此同時，高頻信號源的另一路輸出信號與經(jīng)過二分頻后的本振信號混頻。選頻放大后作為示波器的外觸發(fā)信號。需要指出的是，如果使用示波器內(nèi)觸發(fā)，將不能正確顯示二路光波之間的位相差。3）電源 激光電源采用倍壓整流電路，工作電壓部分采用大電解電容，使之有一定的電流輸出，觸發(fā)電壓采用

9、小容量電容，利用其時間常數(shù)小的性質(zhì)，使該部分電路在有工作負載的情況下形同短路，結(jié)構(gòu)簡潔有效。 12V電源采用三端固定集成穩(wěn)壓器件，負載大于300mA，供給光電接受器和信號處理部分以及功率信號源。12V降壓調(diào)節(jié)處理后供給斬光器之小電機。2、光拍法測光速的光路 圖4為光速測量儀的結(jié)構(gòu)和光路圖。圖4 CG-型光速測定儀的結(jié)構(gòu)和光路圖實驗中，用斬光器依次切斷遠程光路和近程光路，則在示波器屏上依次交替顯示兩光路的拍頻信號正弦波形。但由于視覺暫留，我們同時看到它們的信號。調(diào)節(jié)兩路光的光程差，當(dāng)光程差恰好等于一個拍頻波長時，兩正弦波的位相差恰為2，波形第一次完全重合，從而。由光路測得L, 用數(shù)字頻率計測得高

10、頻信號源的輸出頻率F, 根據(jù)上式可得出空氣中的光速c。 因為實驗中的拍頻波長約為10m,為了使裝置緊湊,遠程光路采用折疊式,如圖4所示。圖中實驗中用圓孔光闌取出第0級衍射光產(chǎn)生拍頻波, 將其他級衍射光濾掉。四 實驗內(nèi)容與步驟1. 調(diào)節(jié)光速測定儀底腳螺絲，使儀器處于水平狀態(tài)。2. 正確連接線路，使示波器處于外觸發(fā)工作狀態(tài),接通激光電源, 調(diào)節(jié)電流至5mA，接通15V直流穩(wěn)壓電源, 預(yù)熱15分鐘后,使它們處于穩(wěn)定工作狀態(tài)。3. 使激光束水平通過通光孔與聲光介質(zhì)中的駐聲場充分互相作用（已調(diào)好不用再調(diào)），調(diào)節(jié)高頻信號源的輸出頻率（15MHZ左右），使產(chǎn)生二級以上最強衍射光斑。4. 光欄高度與光路反射鏡

11、中心等高，使0級衍射光通過光欄入射到相鄰反射鏡的中心（如已調(diào)好不用再調(diào)）。5.用斬光器擋住遠程光，調(diào)節(jié)全反射鏡和半反鏡，使近程光沿光電二極管前透鏡的光軸入射到光電二極管的光敏面上，打開光電接收器盒上的窗口可觀察激光是否進入光敏面，這時，示波器上應(yīng)有與近程光束相應(yīng)的經(jīng)分頻的光拍波形出現(xiàn)。6. 用斬光器擋住近程光，調(diào)節(jié)半反鏡、全反鏡和正交反射鏡組，經(jīng)半反射鏡與近程光同路入射到光電二極管的光敏面上，這時，示波器屏上應(yīng)有與遠程光光束相應(yīng)的經(jīng)分頻的光拍波形出現(xiàn)，5、6兩步應(yīng)反復(fù)調(diào)節(jié)，直到達到要求為止。7.在光電接收盒上有兩個旋扭，調(diào)節(jié)這兩個旋扭可以改變光電二極管的方位，使示波器屏上顯示的兩個波形振幅最大且相等，如果他們的振幅不等，再調(diào)節(jié)光電二極管前的透鏡，改變?nèi)肷涞焦饷裘嫔系墓鈴姶笮?，使近程光束和遠程光束的幅值相等。8.緩慢移動導(dǎo)軌上裝有正交反射鏡的滑塊10，改變遠程光束的光程，使示波器中兩束光的正旋波形完全重合（位相差為2）此時，兩路光的光程差等于拍頻波長。9.測出拍頻波長，并從數(shù)字頻率計讀出高頻信號發(fā)生器的輸出頻率F，代入公式求得光速c。反復(fù)進行多次測量，并記錄測量數(shù)據(jù)，求出平均值及標(biāo)準(zhǔn)偏差。 五、注意事項1聲光頻移器引線及冷卻