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《1光拍頻法測量光速實驗》由會員上傳分享，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。
1、光拍頻法測量光速光在真空中的傳播速度是一個極其重要的基本物理量，許多物理概念和物理量都與它有密切的聯(lián)系，因此光速的測量是物理學(xué)中的一個十分重要的課題。本實驗的目的是通過測量光拍的波長和頻率來確定光速，掌握光拍頻法測量光速的原理和實驗方法。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、原理圖1拍頻波場在某一時刻t的空間分布根據(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、圓頻率分別為和（頻差較小）的二光束：（1）式中，為波數(shù)，和分別為兩列波在坐標(biāo)原點的初位相。若這
2、兩列光波的偏振方向相同，則疊加后的總場為：上式是沿軸方向的前進(jìn)波，其圓頻率為，振幅為，因為振幅絕對值以頻率為周期性地變化，所以被稱為拍頻波，Df稱為光拍波頻率。實驗中拍頻波由光電探測器檢測，光電探測器上的光電流如圖1（b）和下式（3）其中g(shù)是光電探測器的轉(zhuǎn)換常數(shù)，，是初相位。如果有兩路光頻波，使其通過不同光程后入射同一光電探測器，則該探測器所輸出的兩個光拍信號的位相差與兩路光的光程差之間的關(guān)系（4）當(dāng)時，L=,恰為光拍波長，此時上式簡化為4（5）可見，只要測定了和，即可確定光速。為產(chǎn)生光拍頻波,要求相疊加的兩光波具有一定的頻差,這可通過超聲與光波的相互作用來實現(xiàn)。超聲(彈性波)在
3、介質(zhì)中傳播,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)。具體方法有兩種,一種是行波法,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,其中的是入射光的圓頻率,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
4、源相對的端面敷以聲反射材料,以增強(qiáng)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(jìn)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（6）圖2相拍二光波獲得示意圖若超聲波的頻率為F=W/2p,則第L級衍射光的頻率為（7）式中L,m=0,±1,±2,...?？梢?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（8）即拍頻為2F的拍頻波。本實驗采用
5、的是駐波法制成的聲光頻移器產(chǎn)生光拍頻波。三儀器與裝置本實驗所用儀器有光速測定儀、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17MHZ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。4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
6、率為光拍頻的電信號，輸入至混頻電路盒。該信號與本機(jī)振蕩信號混頻，選頻放大，輸出到ST-16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ST-16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(fù)載的情況下形同短路，結(jié)構(gòu)簡潔有效?！?5V電源采用三端固定集成穩(wěn)壓器件，負(fù)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?！?5
7、V降壓調(diào)節(jié)處理后供給斬光器之小電機(jī)。2、光拍法測光速的光路圖4為光速測量儀的光路圖。圖4光速測定儀光路圖實驗中，用斬光器依次切斷光束①和②，則在示波器屏上同時顯示光束①和②的拍頻信號正弦波形。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，波形第一次完全重合，根據(jù)（4）式得（9）由光路測得,用數(shù)字頻率計測得高頻信號源的輸出頻F,根據(jù)上式可得出空氣中的光速c。4因為實驗中的拍頻波長約為8-10m,為了使裝置緊湊,遠(yuǎn)程光路采用折疊式,如圖4所示。圖中光束①表
