文档介绍：声光效应与光拍法测光速
学号200911141012 姓名吴洋
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Δƒ。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(±)km/s.
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:
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E
0,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
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。
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-。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。
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率计一台。
光源采用He-Ne激光器,,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。
b
a
12
10
8
7
9
11
5
13
4
3
6
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
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