文档介绍：声光效应与光拍法测光的速度

摘要:本实验主要是利用声光效应原理及驻波法产生声光频移,利用光拍法测得光在空气中的速度。声光效应为光通过被声波扰动的介质时发生散射或衍射的现象。我们利用这一效应产生光拍频波。再用双光束相位比较法测量光速。
关键词:声光效应、频移、双光速相位比较法、光拍频波
引言
光速是最基本的物理常数之一,光速的精确测量和特性研究与近代物理学和实验技术的许多重大问题关系密切。由于光速的数值很大,光波的波长很小,其测量面临着一系列问题。直到1960年出现激光后,用激光得到现在认为最精确光速值c=(299 792 458±1)m/s。声光效应在光信号处理和集成光通讯方面有重要应用。
本实验利用声光效应可以产生光拍频波,最后通过对光拍频波光强信号的检测可以间接地测得光速。
实验原理
光拍频波
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相叠加即形成拍。对于振幅都为E0,圆频率分别为ω1和ω2,且沿相同方向(假设为沿x方向)传播的两束单色光

它们的叠加为:
当ω1>ω2,且Δω=ω1-ω2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,振幅以频率周期性地缓慢地变化。(如图1)
图1 拍的形成图2、Ic在某个时刻的空间分布

拍频信号的检测
在实验中我们用光电检测器接受光信号,光电检测器所产生的光电流与接受到的光强成正比: ……………………………………………………公式 1
式中g为光电转换系数。实际得到的光电流Ic近似为响应时间τ内光电检测器接收到的光强的平均:
……………公式 2
在某一时刻t,置于不同空间位置的光电检测器将输出不同相位的光电流,因此,用比较相位的方法可以间接测定光速。假设在测量线上有两点A和B,由(4)式可知,在某一时刻t,当点A与B之间的距离等于光拍频波波长λ的整数倍时,该两点的相位差为
……………………公式 3
因为有,因此
……………………公式 4
当相邻两个同相位点之间的距离等于光拍频波的波长λ,即n=1时,由公式 7得
……………………………………公式 5
上式说明,只要我们在实验中测出和λ,就可间接确定光速c。(如图2)
共焦球面扫描干涉仪原理
其光路图如图3所示。光沿接近轴向方向入射干涉仪时,光线在腔内反射,忽略反射镜球面差的情况下,反射光线走一闭合路径,反射后与入射光线重合,光程差满足△=4μL。当满足4L=kλ时干涉极大,且通过干涉仪的激光频率满足,
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图3:共焦球面扫描干涉仪的光路图。
扫描干涉仪的自由光谱区是指干涉仪能够测量的不重序的最大波长差或最大频率差,,相当于光波的相干级次不变,而波长改变为
利用声光效应产生光拍频波
光拍频波要求相拍的两束光有确定的频率差。本实验通过声光效应使He-。如图4 功率信号源输出角频率为Ω的正弦信号加在频移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变化,成为相位光栅,入射的激光束因发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有关的频率移动,实现了使激光束频移的目的,因此我们在实验中可获得确定频率差的两束光。
我们在实验中是使用效率较高的驻波法产