文档介绍：近代物理实验报告
实验:光拍法测光速
一、实验目的
;
。
二、实验仪器名称
,频差较小,速度相同的两列同向传播的简谐波叠加即形成拍。若
有振幅相同为E0、圆频率分别为ω1 和ω2 (频差Δω=ω1 −ω2 较小)的二光束:
E1 = E0 cos(ω1t −k1x +ϕ1 ) ()
E2 = E0 cos(ω2t −k2 x +ϕ2 ) ()
式中k1 = 2π/λ1 ,k 2 =π/λ2 为圆波数,ϕ1 和ϕ2 分别为两列波在坐标原点的初位相。若这两列光波的偏振方向相同,则叠加后的总场为:
上式是沿 x 轴方向的前进波, 其圆频率为(ω1 +ω2 ) / 2 , 振幅为
因为振幅以频率为Δf =Δω/4π周期性地变化,所以被称为
拍频波,Δf 称为拍频。如果将光频波分为两路,使其通过不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Δϕ与两路光的光程差ΔL之间的关系仍由上式确定。当Δϕ=2π时,ΔL=Λ,恰为光拍波长,此时上式简化为:c =Δf •Λ,可见,只要测定了Λ和Δf ,即可确定光速c。
为产生光拍频波, 要求相叠加的两光波具有一定的频差, 这可通过超声与光波的相互作用来实现。超声(弹性波)在介质中传播,使介质内部产生应变引起介质折射率的周期性变化,就使介质成为一个位相光栅。当入射光通过该介质时发生衍射,其衍射光的频率与声频有关。具体方法有两种,一种是行波法,如图(a)所示,在声光介质与声源(压电换能器)相对的端面敷以吸声材料,防止声反射,以保证只有声行波通过介质。当激光束通过相当于位相光栅的介质时,使激光束产生对称多级衍射和频移,第 L级衍射光的圆频率为ωL =ω0 +LΩ, 其中ω0 的是入射光的圆频率, Ω为超声波的圆频率,L=0 ,±1,±2,...为衍射级。利用适当的光路使零级与+l级衍射光汇合起来, 沿同一条路径传播,即可产生频差为Ω的光拍频波。另一种是驻波法,如图(b)所示,在声光介质与声源相对的端面敷以声反射材料,以增强声反射。沿超声传播方向, 当介质的厚度恰为超声半波长的整数倍时,前进波与反射波在介质中形成驻波超声场, 这样的介质也是一个超声位相光栅,激光束通过时也要发生衍射, 且衍射效率比行波法要高。第L级衍射光的圆频率为
ω =ω+(L + 2m)Ω()
若超声波功率信号源的频率为 F=Ω/2π, 则第L级衍射光的频率为
f = f +(L + 2m)F ()
式中 L,m=0, ±1, ±2,...,可见,除不同衍射级的光波产生频移外,在同一级衍射光内也有不同频率的光波。因此,用同一级衍射光就可获得不同的拍频波。例如,选取第1 级(或零级), 由 m=0 和 m=-1 的两种频率成分叠加, 可得到拍频为 2F 的拍频波。比较两种方法,显然驻波法有利。本实验采用的是驻波法制成的声光频移器。
,使仪器处于水平状态
,接通激光电源, 调节电流至 5mA,接通 12V 直流稳压电源, 预热 15 分钟后, 使它们处于稳定工作状态。
(15MHZ 左