光拍频法测量光速

发布时间：2018-08-02 22:51:59 来源：文档文库

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光拍法测量光速

光在真空中的传播速度是一个极其重要的基本物理量，许多物理概念和物理量都与它有密切的联系，因此光速的测量是物理学中的一个十分重要的课题。本实验的目的是通过测量光拍的波长和频率来确定光速，掌握光拍频法测量光速的原理和实验方法。

一、实验目的

1．掌握光拍频法测量光速的原理和实验方法,并对声光效应有一初步了解。

2．通过测量光拍的波长和频率来确定光速。

二、原理

根据振动叠加原理，频差较小，速度相同的两列同向传播的简谐波叠加即形成拍。若有振幅相同为E0、圆频率分别为和（频差较小）的二光束：

式中，为圆波数，

和分别为两列波在坐标原点的初位相。若这两列光波的偏振方向相同，则叠加后的总场为：图1 拍频波场在某一时刻t的空间分布

上式是沿轴方向的前进波，其圆频率为，振幅为，因为振幅以频率为周期性地变化，所以被称为拍频波，称为拍频。如果将光频波分为两路，使其通过不同光程后入射同一光电探测器，则该探测器所输出的两个光拍信号的位相差与两路光的光程差之间的关系仍由上式确定。当时， L=,恰为光拍波长，此时上式简化为：，可见，只要测定了和，即可确定光速。

为产生光拍频波, 要求相叠加的两光波具有一定的频差, 这可通过超声与光波的相互作用来实现。超声(弹性波)在介质中传播,使介质内部产生应变引起介质折射率的周期性变化,就使介质成为一个位相光栅。当入射光通过该介质时发生衍射,其衍射光的频率与声频有关。

具体方法有两种,一种是行波法,如图2（a）所示,在声光介质与声源(压电换能器)相对的端面敷以吸声材料,防止声反射,以保证只有声行波通过介质。当激光束通过相当于位相光栅的介质时，使激光束产生对称多级衍射和频移,第L级衍射光的圆频率为,其中的是入射光的圆频率,为超声波的圆频率,L=0,±1,±2,...为衍射级。利用适当的光路使零级与+l级衍射光汇合起来, 沿同一条路径传播,即可产生频差为的光拍频波。

另一种是驻波法,如图2(b)所示,在声光介质与声源相对的端面敷以声反射材料,以增强声反射。沿超声传播方向, 当介质的厚度恰为超声半波长的整数倍时,前进波与反射波在介质中形成驻波超声场, 这样的介质也是一个超声位相光栅,激光束通过时也要发生衍射,且衍射效率比行波法要高。第L级衍射光的圆频率为

若超声波功率信号源的频率为F= /2, 则第L级衍射光的频率为

图2 相拍二光波获得示意图

式中L,m=0,士1,±2,...,可见,除不同衍射级的光波产生频移外,在同一级衍射光内也有不同频率的光波。因此,用同一级衍射光就可获得不同的拍频波。例如,选取第1级（或零级）,由m=0和m=-1的两种频率成分叠加, 可得到拍频为2F的拍频波。

比较两种方法,显然驻波法有利。本实验采用的是驻波法制成的声光频移器。

三仪器与装置

本实验所用仪器有CG-Ⅲ型光速测定仪、 ST-16型示波器和数字频率计各一台。

1、光拍法测光速的电路原理：电路原理图如图3所示。

1）发射部分

长250mm的氦氖激光管输出激光的波长为632.8nm，功率大于1mw的激光束射入声光移频器中，同时高频信号源输出的频率为15MHZ左右、功率1w左右的正弦信号加在频移器的晶体换能器上，在声光介质中产生声驻波，使介质产生相应的疏密变化，形成一位相光栅，则出射光具有两种以上的光频，其产生的光拍信号为高频信号的倍频。

图3 光拍法测光速的电原理图

2）光电接收和信号处理部分

由光路系统出射的拍频光，经光电二极管接收并转化为频率为光拍频的电信号，输入至混频电路盒。该信号与本机振荡信号混频，选频放大，输出到ST-16示波器的Y输入端。与此同时，高频信号源的另一路输出信号与经过二分频后的本振信号混频。选频放大后作为ST-16示波器的外触发信号。需要指出的是，如果使用示波器内触发，将不能正确显示二路光波之间的位相差。

3）电源

激光电源采用倍压整流电路，工作电压部分采用大电解电容，使之有一定的电流输出，触发电压采用小容量电容，利用其时间常数小的性质，使该部分电路在有工作负载的情况下形同短路，结构简洁有效。

±12V电源采用三端固定集成稳压器件，负载大于300mA，供给光电接受器和信号处理部分以及功率信号源。±12V降压调节处理后供给斩光器之小电机。

2、光拍法测光速的光路

图4为光速测量仪的光路图。