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光拍频测量光速实验


近代物理学实验报告
—光拍频法测量光速

实验组员: 付静静 091204121 实验组员: 陈聪 091204120

实验班级: 实验班级:电信科学 091 班

指导老师: 指导老师:

李 鸣
2011-12-15

一、实验目的
1、 掌握

光拍频法测量光速的原理和实验方法,并对声光效应有一定初 步了解; 2、通过测量光拍的波长和频率来确定光速。

二、实验原理
根据振动叠加原理,频差较小,速度相同的两列同向传播的简谐波叠 加若有振幅相同为 E0, 圆频率分别为 E1 和 E2 频差较小) ( 的两光束 : 这两列光波的偏振方向相同,则叠加后的总场为:
E = E1 + E 2 = ?? ? ? 2 ? x ? ? ??2 2 E 0 cos ? 1 ?t ? ? + 1 2 c? 2 ? ? ? ?? 1 + ? 2 ? x ? ? +?2 ? ?t ? ? + 1 ? × cos ? ? 2 c? 2 ? ? ? ?

,

上式是沿 x 轴方向的前进波,其振幅为

2 E

0

cos

? ? ? ? 2 ?
? f

x ? ? ? t ? + ? ? c ? ?

1

? ? 2

2

? ? ?

因为振幅以频率为

= ? ?



,周期性地变化,所以被称为

拍频波, ? f 称为拍频,如果将光拍频波分为两路,使其通过 同光程后入射同一光电探测器, 则该探测器所输出的两个光拍信号的 位相差

?? , 两路光的光程差 ?L , 之间的关系仍由上式确定, 当
时,

? ? = 2π

?L = Λ 恰为光拍波长,则:

c ?f
三、实验安装
1. 滤波放大器 由于 He-Ne 激光器的噪声(噪声谱在 25MHz 以下)和频移光束之 中频率成分很复杂,致使光拍信号被淹没在噪声中,无法观察。采用 声表面波滤波器有效地抑制噪声,获得纯净的中心角频率为 2?的光 拍信号。滤波放大器方框图如图五所示。
声表面波 滤波器

光电 检测器 光拍频波

射极 跟随器

2? ± 300 KHz

调谐 放大器

射极 跟随器

示波器 Y 输入

图五

滤波放大器方框

② 半反镜 ① 半反镜

0级 1级 驻波型 声光频移

He-Ne 激光器

ω0

2. 实验装置 光拍频法测量光速实验装置如图六所示。高频信号源产生角频率 为?的超声波信号输入声光频移器,在声光介质中形成驻波声场,介 质成为超声相位光栅,632.8nmHe-Ne 激光在通过介质时发生衍射。 任一级衍射光都可用来作本实验的工作拍频光束,一般用一级光,因 为信号成分较强。分近程和远程二路光到达光电检测器,不同光程的 光拍频波具有不同的相位。光程差为零,则相位差为零,即同相。逐 渐增加至相位差又为零时, 则光程差恰为一个光拍波长, ?λ S 即 又 ?f
= 2F
= ?L 。

( F 是与 ? 相应的频率),将 ?f 、

?λ S 代入式(5),则
c = 2 F ?L

(6) 注意光电检测和显示系统任一时刻都只检测和显示二光路之一

的光拍频波信号。我们用一小电机驱动旋转式斩光器,它任何时刻只 让一束光通过达到光电检测器,截断另一束。斩光器的旋转,使两路 光交替达到光电检测器并显示出波形。利用示波管的余辉,示波器单 通道上可“同时”看到两路光拍频波波形,以达到比较两路光拍频波 相位的目的。应当指出,为了正确比较相位,必须统一时基,示波器 工作切不可用内触发同步, 要用高频信号作为示波器外触发同步信号, 否则将会引起较大测量误差。

四、实验仪器
CG-Ⅳ型光速测定仪,EE1641B1 型函数信号发生器/计数器, YB4324 型二踪示波器

五、实验内容
1. 仪器连接 光速测定仪高频信号源插孔连至函数信号发生器输入插孔, 分频 器 Y、EXT 插孔分别连至示波器 Y、EXT 插孔。 2. 仪器调整 接通仪器电源开关。 函数信号发生器扫描/计数按键选择 EXT COUNT,WIDTH、 RATE 旋纽逆时针旋到底,其余任意。 示波器 MODE 选择 CH2,SWEEP MODE 选择 AUTO,TRIGGER SOURCE 选择 EXT, VOLTS/DIV 和 SEC/DIV 根据输入信号适当选择, 其余弹起。 调节激光电源电位器,使毫安表指示 5mA 左右,以最大激光光强 输出为准,15 分钟之后激光器输出趋于稳定。

接通±15V 稳压源开关,调节激光束通过声光介质并与驻波声场 充分互相作用(通过调节声光频移器底座螺丝完成),调节频率微调 旋纽,使产生二级以上最强衍射光斑。 3. 光路调节 光栏高度与反射镜中心等高,使+1 级或-1 级衍射光通过光栏 入射到相邻反射镜中心。 用斩光器挡住远程光,调节相应全反镜和半反镜,使近程光沿光 电二极管前透镜光轴入射到光电二极管光敏面上, 打开光电检测器盒 之上窗口可观察激光是否进入光敏面,此时,示波器上应有与近程光 相应的经分频的光拍波形出现。 用斩光器挡住近程光, 调节相应半反镜、 全反镜和正交反射镜组, 与近程光同路入射到光电二极管光敏面上, 示波器上应有与远程光相 应的经分频的光拍波形出现。 以上二步骤应反复调节,直至达到要求。 光电二极管光敏面的方位可通过调节光电检测器盒之上相应旋纽 使示波器上显示最大振幅来确定。 4. 双光路相位比较 接通斩光器电机开关(在±15V 稳压源上),调节微调旋纽使斩 波频率约 30Hz 左右,则借助示波管的余辉可在示波器上同时显示近 程光、远程光和零信号的波形。 打开相位调节开关,按下左右移动按键,移动导轨之上正交反射 镜滑块,改变远、近程光的光程差,可使相应二光拍信号同相(相位

差为 2π)。 如改变二光束的相位差(例相位差为π),则可用两片短路反射 镜插入相应位置,则远程光的部分光程被短路。重复上述调节,可使 二光拍波形达到既定的相位差。 5. 测量与计算 测量光程差 ?L ,高频信号源工作频率 F ,根据 c = 2 F?L 计算光速。 重复测量三次取平均值,并求相对不确定度。

六、实验注意事项
1.声光频移器引线及冷却铜块不得拆卸。 2.切勿用手或其它污物接触光学表面。 3.切勿带电触摸激光管电极等高压部位。

七、实验数据处理及误差分析
(1)光程差的测量 单位:cm

远程光:
M 1M 2 xi M 2M3 M 3M 4 M 4M5 M 5M 6 M 6M 7 M7M8 M 8M 9 M 9 M 10 M10 M

∑x

i

144. 50

141. 25

141. 15

141. 90

141. 50

139. 80

4.00

64.0 0

3.30

68.8 0

991. 50

近程光:
M 1M =23.75 cm
∴ 光程差 ?x = x ? M 1M

=989.75-23.75=963.O0 (cm)

(2)光拍频

单位: MHz

f1 fi

f2

f3

f4

f5

f

14.8750 14.8754 14.8743 14.8742 14.8749 14.8749

(3) 光速 C= ?x?F = ?x ? 2 f = 2.89 ×108 (m / s) 而公认值
∴E = c' ? c c c ' = 3 × 108 (m / s )

= 3.67%

(4)误差分析 A、在测量光程差时,只用米尺测量,误差太大,应改用精确度较 大的测量仪器。 B、频率计的读数不稳定。 C、注意对二束光相位的精确比较,如果实验中调试不当,可能会 产生虚假的相移,结果影响实验的精度。 D、空气中光速的准确值选取不当。

八、思考与讨论
1、“拍”是怎样形成的?它有什么特性? 解答: 两列速度相同,振面和传播方向相同,频差又较小的简谐波 迭加形成拍。 两列简谐波迭加后的 E 是以角频率为
ω1+ω2
2

,振幅为 随时间作

ω ?ω ? ω ?ω ? x ? ? ?? ? 2 E0 cos ? 1 2 ? t ? ? + 1 2 ? 的前进波。其振幅是以角频率 ?ω = 1 2 2 ? 2 ? 2 ? c?

周期性的缓慢变化。所以称 E 为拍频波,其中
ω ?ω ?ω = 1 2 =π?F 2

, ?F 称为拍频。 ?λs 是拍的波长。

2、声光调制器是如何形成驻波衍射光栅的?激光束通过它以后其衍 射有什么特点? 解答:位相光栅使出射光发生衍射,结果光的传播方向,频率和强 度分布都受到声频的调制而发生变化。 若激光束垂直入射这一位相光 栅(经超声波作用的介质),出射 L 级对称衍射光强的极大值满足关系 式: λs sin θ L = Lλ0 第 L 级衍射光的角频率为:

ωl,m =ω0 +( L+2m) ωs

式中 L 是衍射级 L=0, ± 1, ± 2,……。 对于每一个 L 值, m=0, ± 1, ± 2…… 即在同一衍射光束内就含有许多不同频率成分的光。


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