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1、声光效应与光拍法测光速 学号200911141012 姓名 吴洋日期2011.10.20摘要：本实验以氦氖激光器为光源，首先利用声光效应产生光拍频波，测出其频移。再用光束测量仪以双光束相位比较法测出光速c关键词：拍频，声光效应，驻波法，双光束相位比较法引言：光速是物理学中最重要的基本常数之一，也是所有各种频率的电磁波在真空中的传播速度。光速测量有300多年的历史，伽利略在1607做了世界上第一个测光速的实验，由于条件所限，没有得出确定的结果。但为以后的实验提供了思路。此后包括傅科、斐索在内的物理学家用不同方法对光速进行了测量。现在的光速值由国际计量局推荐 (299792.500.10)km/s
2、. 本实验的目的在于使学生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；通过测量光拍的波长和频率来确定光速。原理：1、 光拍波频根据波的叠加原理，两束传播方向相同，频率相差很小的简谐波叠加，即形成拍。对于振幅都为E0，圆频率分别为和且沿相同方向（假设都沿x方向）传播的两束单色光 （1） （2）两式叠加后有 （3） 当，且较小时，合成光波是带有低频调制的高频波，振幅为，角频率为。由于振幅以频率周期性的缓慢变化，我们将之称为光拍频波，称为拍频。光拍波频如图1（a）所示。图1 光拍波频的形成及光强在某一时刻的分布2、 拍频信号的检验在实验中，我们用光电检验器接收光信号。光电检验器所
3、产生的电流与接收到的光强（即电场E的平方）成正比：I=gE2 （式4）式中g为光电转换系数。由于光的频率极高（1014Hz），而一般的光电转换器只能对108Hz一下的光强变化做出反应，所以实际得到的光电流Ic近似为响应时间内光电检测器接收到的光强平均： Ic= = =（式5）式中，高频项平均后为零。光电检测器输出的光电流包括直流和光拍波频两部分，滤去直流部分，即得到频率为，初相位为，相位和空间位置有关的简谐拍频信号。图1中还有拍频光信号在某一时刻t的空间分布，置于不同位置空间的光电检测器将输出不同相位的光电流，因此用比较相位法可以间接地测出光速。假设测量线上有两点A和B，由式5可知，在某一时刻
4、t，当点A与B之间的距离等于光拍波频的波长的整数倍时，该两点的相位差为，n=1,2,3.（式6）考虑到，从而 ，n=1，2，3.（式7）当两个相邻相位点之间的距离等于光拍波频的波长时，即n=1时，=。该式子说明只要我们在实验中测出，就可以间接测出光速c。3、 利用声光效应产生光拍波频光拍波频 相拍的两束光有确定的频率差。本实验通过声光效应使He-Ne激光器的632.8nm谱线产生固定频差。声光效应原理图如图2所示。功率信号源输出角频率为的正弦信号加在频仪器的晶体压电换能器上，超声波沿x方向通过声光介质，使介质内部产生应变，导致介质的折射率在时间和空间上发生周期性的变化，成为一相位光栅，是入射的
5、激光束产生衍射而改变传播方向，这种衍射光的频率产生了与超声波频率相关的频率移动，实现了是激光束频移的目的，因此我们在实验中可以获得确定的频率差的两束光。图2 行波法在本实验中，我们采用行波法产生频移。在声光介质与声源相对的端面上敷以吸声材料，防止声波反射，以保证在声光介质中只有单向声行波通过。当角频率为的激光束通过声光介质时，超声波与激光单色波相互作用的结果，使激光束产生对称多级衍射和频移。第L级衍射光的角频率为。通过仔细调节光路，可以使两束光平行叠加，产生频差为的光拍波频。一、 实验装置本实验采用CG-III型光速测量仪测定光速。主机结构如图3所示。实验还配备了示波器，共焦球面干涉仪及数字频
6、率计一台。光源采用He-Ne激光器，输出波长为632.8nm，功率大于1mW的激光束。激光射入声光调制器以后得到具有两种频率以上的衍射光。我们取L=1的第一级衍射，其中m=0,-1两种能量最强的频率成分叠加，可以得到拍频为2的光拍波频。由于He-Ne激光器的噪声和频移光束中不需要的成分很多，致使信号淹没在噪声之中，难以分辨。为提高信噪比，本实验采用声光表面波滤波器抑制噪声。我们在实验中采用双光束相位比较法来进行相位比较，原理如图4所示。ba121087911513436 图3 光拍法测光速的电原理图He-Ne激光器声光频仪器光路系统光电接收器混频器本征除2选频放大选频放大选频器频率计高频信号源
7、示波器 图4 双光束相位比较法原理图光拍信号进入光电二极管后转化成光拍频电信号，经混频选频放大，输出到示波器的Y输入端。与此同时，将高频信号的另一路输出信号作为示波器的外触发信号。当斩波器高速旋转挡住进程光和远程光时，由于人眼的暂留效应及示波器的余辉效应，可以同时显示出近程光和远程光和零信号的波形。通过改变远程光的光程，使波形与近程波形重合。此时远程光和近程光的光程差为拍频波长。二、 实验内容1、 光速仪的检查与调整(1) 打开交流稳压电源，预热两分钟，电压升至220V。(2) 光速测量仪应处于水平状态。打开激光电源，控制激光点燃和熄灭。插上测速仪插头。(3) 调整光栏高度和水平位置，是激光的
8、0级光斑，或1级衍射光斑通过，并照射在位于其后的反射镜中心。2、 测量声光效应产生的频移（1）把反射镜放在2处，调节反射镜和扫描干涉仪，使激光束正对扫描仪的入射小孔，反复调节扫描仪，使激光束与干涉仪接近准直状态。示波器处于X-Y扫描模式，观察激光的纵模。（2）根据扫描干涉仪的自由光谱区确定激光纵模间距，与理论值进行比较（激光腔长21.9cm）。本实验所使用的扫描干涉仪自由光谱区为2667MHz。（3）打开信号发生器，调节输出频率为15MHz左右。观察第一级衍射光中频率的分布，微调信号发生器的输出频率，观察光强度的变化。衍射效率最高时，用纵模间距定标，测量该级衍射光中各成分的频差，比较频率计读数
9、。（4）微调扫描干涉仪的水平位置，分别观察0，1，2级衍射光中的频率分布，分析奇偶衍射光中频率及强度分布的不同。3、双光束相位比较法测量光速（1）近程光（光路a）的调节。把反射镜放在3处，转动斩波器扇轮13，是近程光通过半反镜4，在经过半反镜5进入光电探测器前集光透镜。再调整半反镜5的方位角和俯仰角及光电探测器中光电二极管的位置，是激光射入光电二极管，并使示波器上近程光束的正弦波幅值达到最大。（2）远程光（光路b）的调节。用斩波器13切断近程光，按图所示的远程光行进方向，逐次细调半反镜4和全反镜612的方位角和俯仰角，使光束依次投射到下一个反射镜的中心，直至射入光电二极管，并使示波器上远程光束
10、的正弦波幅值达到最大。（3）打开“15V稳压光源”右侧的“斩波器”电源开关，示波器荧光屏上将同时出现近程和远程光束所产生的两个正弦波形。如果它们的幅值不相等，可调节光电二极管前的透镜，改变进入检波器的光敏面光强的大小，使近程和远程光束的幅值接近相等。调节信号发生器输出频率使之接近声光转换器的中心频率时，波形为最大。（4）缓慢移动光速仪上的滑动平台，改变远程光的光程，使示波器上的两束光的正弦波性完全重合。此时，近程光和远程光的光程差等于光拍频波的波长，即L=。（5）近程光光程值为215mm，远程光光程除AB和CD外，为9037mm。信号发生器的输出频率可以从数字频率计上读出。根据测量结果求出光速
11、c的值。（6）分析误差原因，讨论如何进一步提高测量精度。（1是声光频移计，4、5是半反镜，2、3、612是全反镜，13是斩波器，14是光栅。由于找不到合适的图）注意事项：1、切忌用手接触光学元件表面2、调整光路时，切勿带电触摸激光管电极等高压部位，以防止触电。3、切勿用眼直视激光束。4、防止产生虚假相移。数据处理1测声光效应产生的频移模间距在示波器上的读数为L1=4.2格，L2=1.4格，自由光谱区为1875MHz，故模间距为 =1875=625 MHz第一级间距为0.84格，第二级间距为1.54格，用同样的方法可得频移分别为375 MHz和687 MHz2光速的测量测量五次每次数据为两条轨道移动距离之和104 106 104.5 103 105数字频率计上读数为=75.009 MHz由于光沿着两条导轨各反射一次，故实际光程是导轨读数之和的两倍 L=2（104+106+104.5+103+105）/5 =209mm则c=2=3.1353108m/s误差为（3.1353-2.9972）/2.9972 100%=4.6%参考文献：熊俊.近代物理实验.北京.北京师范大学出版社.2007
