相位法光速測(cè)量

《相位法光速測(cè)量》由會(huì)員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在行業(yè)資料-天天文庫(kù)。

1、相位法光速測(cè)量實(shí)驗(yàn)本實(shí)驗(yàn)采用內(nèi)調(diào)制被測(cè)信號(hào)的光強(qiáng)，測(cè)量光強(qiáng)調(diào)制波傳播距離變化所引起的相應(yīng)相位變化，最終測(cè)定光速，并可以測(cè)量有機(jī)玻璃、人造水晶、無(wú)水乙醇等介質(zhì)的折射率。一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、了解相位法測(cè)量光速的頻率和波長(zhǎng)，從而確定光速的實(shí)驗(yàn)原理。2、學(xué)會(huì)用相位法測(cè)量光速以及介質(zhì)折射率。二、實(shí)驗(yàn)儀器實(shí)驗(yàn)裝置：導(dǎo)軌（長(zhǎng)1m，包含半導(dǎo)體激光器、調(diào)制及接收裝置）、反射鏡、介質(zhì)測(cè)量裝置、f50透鏡數(shù)字相位計(jì)、示波器三、實(shí)驗(yàn)原理采用頻率為f的正弦型調(diào)制波，調(diào)制波在傳播過(guò)程中其位相是以2為周期變化的。表達(dá)式為：I=I[1+mcos2f（t-x/t）](1)式中m為

2、調(diào)制度，cos2f（t-x/t）表示光在測(cè)線上轉(zhuǎn)播的過(guò)程中，其強(qiáng)度的變化猶如一個(gè)頻率為f的正弦波以光速c沿x方向轉(zhuǎn)播。設(shè)測(cè)線上A和B兩點(diǎn)的位置坐標(biāo)分別為x和x，當(dāng)這兩點(diǎn)之間的距離為調(diào)制波波長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí)，該兩點(diǎn)間的相位差為：（2）式中n為整數(shù)。反過(guò)來(lái)，如果我們能在光的傳播路徑中找到調(diào)制度的等相位點(diǎn)，并準(zhǔn)確測(cè)量它們之間的距離，那么這距離一定是波長(zhǎng)的整數(shù)倍。設(shè)由點(diǎn)出發(fā)的調(diào)制波，經(jīng)時(shí)間t后轉(zhuǎn)播到點(diǎn),之間的距離為2D。則點(diǎn)相對(duì)于點(diǎn)的相移為=wt=2ft,如圖1（a）所示。然而我們不可能用一臺(tái)測(cè)相系統(tǒng)對(duì)間的這個(gè)相移量進(jìn)行直接測(cè)量。解決這個(gè)問(wèn)題的較好方法是

3、在的中間B設(shè)置一個(gè)反射器，由點(diǎn)發(fā)出的調(diào)制波經(jīng)反射器反射返回點(diǎn)，如圖1（b）所示，光線由所走過(guò)的光程為2D，而且在點(diǎn)反射波的位相落后=wt。如果以入射波作為參考信號(hào)（或作為基準(zhǔn)信號(hào)），將它與反射波（以下稱為被測(cè)信號(hào)）分別輸入到相位計(jì)的兩個(gè)輸入端，由相位計(jì)讀出基準(zhǔn)信號(hào)和被測(cè)信號(hào)之間的相位差。圖1位相法測(cè)波長(zhǎng)原理圖本實(shí)驗(yàn)正是基于上述原理，實(shí)驗(yàn)原理圖如圖2所示，激光器將晶體振蕩器G2產(chǎn)生的頻率100MHz的晶振信號(hào)對(duì)光強(qiáng)進(jìn)行調(diào)制形成光電調(diào)制波，該光信號(hào)經(jīng)反射鏡返回，經(jīng)一透鏡會(huì)聚到光電二極管PIN，PIN將收到的光調(diào)制信號(hào)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，輸出與LED同頻

4、的信號(hào)經(jīng)放大器放大后送入混頻器2，與加在該混頻器上的本機(jī)振蕩器G1產(chǎn)生的100.300MHz的晶振信號(hào)混頻，得到差頻為300KHz的信號(hào)，該信號(hào)通過(guò)移相器送入示波器Y軸。與此同時(shí)，G2產(chǎn)生的100MHz的晶振信號(hào)送入混頻器1，與加在該混頻器上的由G1產(chǎn)生的100.300MHz的晶振信號(hào)進(jìn)行混頻，產(chǎn)生300KHz的差頻信號(hào)送入示波器的X軸。這一路信號(hào)是沒(méi)有經(jīng)過(guò)移相的，可以作為參考信號(hào)。這樣，加在示波器上的兩路信號(hào)頻率相同，但相位不同，在實(shí)際測(cè)量中就可以用精密數(shù)字相位計(jì)直接測(cè)量處于不同位置時(shí)對(duì)應(yīng)的相位值，由相關(guān)的公式推導(dǎo)，從而求出空氣中和介質(zhì)中的

5、光速以及介質(zhì)的折射率。圖2光速測(cè)量原理框圖四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、空氣中的光速測(cè)量（1）采用示波器測(cè)量光速先簡(jiǎn)單介紹示波器的X-Y應(yīng)用功能：①將探頭菜單衰減系數(shù)設(shè)定為10X，并將探頭上的開關(guān)設(shè)定為10X；②將示波器與高頻發(fā)生電箱相連接；③按下[AUTO]按鈕；④調(diào)整垂直[SCALE]旋鈕使兩路信號(hào)顯示的幅值大約相等；⑤按下水平控制區(qū)域的[MENU]菜單按鈕以調(diào)出水平控制菜單；⑥按下時(shí)基菜單按鈕以選擇[X-Y]；⑦調(diào)整垂直[SCALE]、垂直[POSITION]和水平[SCALE]使波形達(dá)到最佳效果。測(cè)量開始時(shí)，將反射鏡置于導(dǎo)軌靠近高頻發(fā)射裝置處，示波

6、器接收到信號(hào)后，沿導(dǎo)軌前后移動(dòng)反射鏡，使示波器上的李薩如圖形成一條傾斜的直線，此時(shí)兩路信號(hào)的相位差為或者。接著在導(dǎo)軌上緩慢移動(dòng)反射鏡的位置，直到李薩如圖形成與第一次測(cè)量正交的一傾斜直線，此時(shí)兩路信號(hào)的相位差為或者，反射鏡移動(dòng)的距離為，則光程差為。實(shí)驗(yàn)中光強(qiáng)調(diào)制波的頻率f知道，光程差由上述方法測(cè)出，則光速為：（3）注意：調(diào)節(jié)光路似的移動(dòng)反射鏡的時(shí)候，反射光斑必須時(shí)刻處于接收區(qū)內(nèi)，否則會(huì)影響信號(hào)接收。（2）采用數(shù)字相位計(jì)測(cè)量光速將X、Y兩路的信號(hào)送入數(shù)字相位計(jì)。每次測(cè)量可以直接獨(dú)處它們的相位差值，即小心移動(dòng)反射鏡，每次停止時(shí)讀一個(gè)相位差值，注意在

7、移動(dòng)中保證激光光斑始終在接受區(qū)內(nèi)。由于相位和距離X具有線性關(guān)系：（4）實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，將反射鏡置于導(dǎo)軌末端任意處，每隔0.10米測(cè)量一組對(duì)應(yīng)的值，共測(cè)量若干組數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)處理中，用最小二乘法進(jìn)行線性擬合，求出直線的斜率，即可求出光速：（5）注意：由于相位計(jì)本身的讀數(shù)誤差，在移動(dòng)位置超過(guò)標(biāo)尺50cm處的時(shí)候，每?jī)蓚€(gè)位置的相位讀數(shù)誤差建議減去（由于此時(shí)接收信號(hào)幅度降低）。2、介質(zhì)折射率的測(cè)量采用數(shù)字相位計(jì)測(cè)量介質(zhì)折射率。圖3利用數(shù)字相位計(jì)測(cè)量介質(zhì)折射率如圖3所示，實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，在測(cè)量光路中加入待測(cè)樣品B，數(shù)字相位計(jì)接收到信號(hào)后，記下相應(yīng)的相位差；接著移

8、去待測(cè)樣品，數(shù)字相位計(jì)將記下取走樣品B后的相位差，則有：（6）式中為空氣折射率，為光調(diào)制波的波長(zhǎng)。所以：（7）五、注意事項(xiàng)1、儀器的調(diào)整如果儀器放在光照較強(qiáng)的環(huán)境中