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1、相位法光速測量實驗本實驗采用內(nèi)調(diào)制被測信號的光強，測量光強調(diào)制波傳播距離變化所引起的相應(yīng)相位變化，最終測定光速，并可以測量有機玻璃、人造水晶、無水乙醇等介質(zhì)的折射率。一、實驗?zāi)康?、了解相位法測量光速的頻率和波長，從而確定光速的實驗原理。2、學(xué)會用相位法測量光速以及介質(zhì)折射率。二、實驗儀器實驗裝置：導(dǎo)軌（長1m，包含半導(dǎo)體激光器、調(diào)制及接收裝置）、反射鏡、介質(zhì)測量裝置、f50透鏡數(shù)字相位計、示波器三、實驗原理采用頻率為f的正弦型調(diào)制波，調(diào)制波在傳播過程中其位相是以2為周期變化的。表達式為：I=I[1+mcos2f（t-x/t）](1)式中m為
2、調(diào)制度，cos2f（t-x/t）表示光在測線上轉(zhuǎn)播的過程中，其強度的變化猶如一個頻率為f的正弦波以光速c沿x方向轉(zhuǎn)播。設(shè)測線上A和B兩點的位置坐標(biāo)分別為x和x，當(dāng)這兩點之間的距離為調(diào)制波波長的整數(shù)倍時，該兩點間的相位差為：（2）式中n為整數(shù)。反過來，如果我們能在光的傳播路徑中找到調(diào)制度的等相位點，并準確測量它們之間的距離，那么這距離一定是波長的整數(shù)倍。設(shè)由點出發(fā)的調(diào)制波，經(jīng)時間t后轉(zhuǎn)播到點,之間的距離為2D。則點相對于點的相移為=wt=2ft,如圖1（a）所示。然而我們不可能用一臺測相系統(tǒng)對間的這個相移量進行直接測量。解決這個問題的較好方法是
3、在的中間B設(shè)置一個反射器，由點發(fā)出的調(diào)制波經(jīng)反射器反射返回點，如圖1（b）所示，光線由所走過的光程為2D，而且在點反射波的位相落后=wt。如果以入射波作為參考信號（或作為基準信號），將它與反射波（以下稱為被測信號）分別輸入到相位計的兩個輸入端，由相位計讀出基準信號和被測信號之間的相位差。圖1位相法測波長原理圖本實驗正是基于上述原理，實驗原理圖如圖2所示，激光器將晶體振蕩器G2產(chǎn)生的頻率100MHz的晶振信號對光強進行調(diào)制形成光電調(diào)制波，該光信號經(jīng)反射鏡返回，經(jīng)一透鏡會聚到光電二極管PIN，PIN將收到的光調(diào)制信號進行光電轉(zhuǎn)換，輸出與LED同頻
4、的信號經(jīng)放大器放大后送入混頻器2，與加在該混頻器上的本機振蕩器G1產(chǎn)生的100.300MHz的晶振信號混頻，得到差頻為300KHz的信號，該信號通過移相器送入示波器Y軸。與此同時，G2產(chǎn)生的100MHz的晶振信號送入混頻器1，與加在該混頻器上的由G1產(chǎn)生的100.300MHz的晶振信號進行混頻，產(chǎn)生300KHz的差頻信號送入示波器的X軸。這一路信號是沒有經(jīng)過移相的，可以作為參考信號。這樣，加在示波器上的兩路信號頻率相同，但相位不同，在實際測量中就可以用精密數(shù)字相位計直接測量處于不同位置時對應(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光速測量原理框圖四、實驗內(nèi)容1、空氣中的光速測量（1）采用示波器測量光速先簡單介紹示波器的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]使波形達到最佳效果。測量開始時，將反射鏡置于導(dǎo)軌靠近高頻發(fā)射裝置處，示波
6、器接收到信號后，沿導(dǎo)軌前后移動反射鏡，使示波器上的李薩如圖形成一條傾斜的直線，此時兩路信號的相位差為或者。接著在導(dǎo)軌上緩慢移動反射鏡的位置，直到李薩如圖形成與第一次測量正交的一傾斜直線，此時兩路信號的相位差為或者，反射鏡移動的距離為，則光程差為。實驗中光強調(diào)制波的頻率f知道，光程差由上述方法測出，則光速為：（3）注意：調(diào)節(jié)光路似的移動反射鏡的時候，反射光斑必須時刻處于接收區(qū)內(nèi)，否則會影響信號接收。（2）采用數(shù)字相位計測量光速將X、Y兩路的信號送入數(shù)字相位計。每次測量可以直接獨處它們的相位差值，即小心移動反射鏡，每次停止時讀一個相位差值，注意在
7、移動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）實驗開始時，將反射鏡置于導(dǎo)軌末端任意處，每隔0.10米測量一組對應(yīng)的值，共測量若干組數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)處理中，用最小二乘法進行線性擬合，求出直線的斜率，即可求出光速：（5）注意：由于相位計本身的讀數(shù)誤差，在移動位置超過標(biāo)尺50cm處的時候，每兩個位置的相位讀數(shù)誤差建議減去（由于此時接收信號幅度降低）。2、介質(zhì)折射率的測量采用數(shù)字相位計測量介質(zhì)折射率。圖3利用數(shù)字相位計測量介質(zhì)折射率如圖3所示，實驗開始時，在測量光路中加入待測樣品B，數(shù)字相位計接收到信號后，記下相應(yīng)的相位差；接著移
8、去待測樣品，數(shù)字相位計將記下取走樣品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。所以：（7）五、注意事項1、儀器的調(diào)整如果儀器放在光照較強的環(huán)境中
