实验1-5-1光拍的传播和光速的测量

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1、实验1-5-1光拍的传播和光速的测量一.引言声光学是近年來新兴的一门边缘学科，如今己广泛地应川在各个领域。将声光频移技术引入到光速测量中，使得光速测量精度更高，也更为方便。测量光速的方法很多，冇经典的也冇现代的。早在1676年，天文学家罗默（Romer）第一个测出了光的速度。1941年美国人安徳森（H.L.Anderson）用克尔盒调制光弹法，测得光速值为2.99776xl08m/s,此值的前四位与现在的公认值一致。我们知道，光速c=s/dz,s足光传播的距离。J/足光传播s所需的吋间。根据波动基本公式，c=/2,义相当于上忒的S,可以方便

2、地测得，但光频/大约为70"Hz,我们没有那样高的频率计，同样传播2距离所需的吋间澶=///也没有比较方便的测景方法。如果/使变得很低，例如30MHz，那么波长约为/0m。这种测量对我们來说足十分方便的。这种使光频“变低”的方法就足所谓“光扪频法”。频率相近的两朿光同方向井线传播，叠加成扪频光波，其强度包络的频率（光拍频）即为两朿光的频差，适当控制它们的频差可达到降低拍频光波的FI的。当高稳定的激光出现以人们渴望更精确地测呈光速。1970年美国国立物理实验室先川激光进行了光速测定。1975年第十五届国际计M大会提出了真空中光速为c=2997

3、92458m/s。木实验是用声光频移法获得光拍，通过测M光拍的波长和频率来确定光速。二.实验原理1、光拍的产生与传播根裾振动迭加原理，频差较小、速度相同的二同向传播的平而光波相迭加即形成拍。假设它们的振幅均为圆频率分别为叫和似2,频差为A似沿轴方向传播，则Ex=Focos^,t-kxx--（px}E2=E{}cos（d>2Z-k2x^-（p2）式中的卜=2疋/2,和*2=2疋/22为波数，化和炉2为初位相。这两列迭加后有jE=F,+jE2=2EncosG)1-G)x/Xtxcos6D2+6D}ft-X,(pi”:VY2

4、(4-2-1)上式表示沿轴方向的前进波，其圆频率为纽1+必2,振幅为22E0eos^fz-^+^l2Ic2因为振幅以频率△/=A69(0,一(O'2711兀作周期性地变化，所以被称为拍频波。图4-2-1所示为扪频波场在某一吋刻t的空间分介，阁巾以A表示拍频波长。川光电探测器接收光的拍频波，由于光频率高达io14汝，光振动的周期约力i（r14秒，而最好的光电探测器，艽响应时间t也只能达到i（r9秒，它远大于光波的周期。因此，任何探测器所产生的光电流都只能是在响应时间r内的吋间T•均值，即(4-2-2)式中g为探测器的光电转换常数。在同一吋刻，

5、光电流I7的空叫分布如图4-2-2所示。将直流成份滤掉，即得光拍信号。而光拍信号的位相差与空间位Si有关。设空间某两点之间的光程差为AL,拍信号位相差为厶供，由（4-2-2）式得(p(4-2-3)如果将光分为两路，使其通过不同的光程后入射到同一探测器，则该探测器输出的两个光扪信号的位相差A识与光程差AL之间的关系仍凼（4-2-3）式确定。特别是当A妒=2/r吋，AJL=A恰为光拍的波长，因此脊4-2-1拍叛坡gEl4-2-2拍頻波场在t时刻的空间分布(4-2-4)在上式中，只要测得了△/与A则可计算出光速。2、相拍二光波的获得利用声光效应

6、获得相拍光波可采用行波法和驻波法，在本实验屮我们采用驻波法。如图4-2-3所示，在声光介质与声源（压电品体）相对的端面敷以反射材料，若声光介质的厚度恰为超声半波长的整数倍，则前进声波与反射声波在介质屮形成超声驻波场，这样的介质也就相当于足一个光栅,激光束通过时就要发生衍射，而且衍射效率较菇。第N级衍射条纹的圆频率与超声波频率有关，可以写成份n，m=^0+2^（w+2m）-F式屮n,m等于0、土1、土2……，F为超声波频率。可见，在同一级衍射条纹内存在许多不同频率的光波，因此用同一级衍射光就可以获得扪频光。选取第一（w=l）级，m=O，-1的

7、两种频率迭加，获彳V•扪频为2F。™相拍光波的获得一.实验仪器和实验内容光速测定仪、双综示波器、频率计等。

8、冬

9、4-2-4和阁4-2-5所示分别为实验装置框阁和实验光路阁。H实验装置框4-2-5光速測定仪光路图调整仪器（调整方法详见仪器说明书），使光路满足图4-2-5所示要求。微调信号频率及斩光器转动速度，同吋调节透镜，在示波器中观察图4-2-5屮（1）（2）两束光的正弦信号波形并使之振幅相等，移动反射镜（3）,利川位相比较法由式（4-2-4）计算He-激光在空气屮的传播速度。式中A/为2F,F位约为15MHz需耍从频率计上精确读出。一.结

10、果与讨论表1.实验数据记录表实验次数12345近程/mm240.1243.5241.6239.7240.3远程/mm9009.89030.59019.79011.39008.7光