文档介绍：声光效应与光拍法测光的速度
实验日期:2013/11/29指导老师:廖红波
【摘要】
本实验主要研究了声光效应以及利用声光效应产生光拍频波进而测定光的速度,利用共焦球面扫描干涉仪测定了激光的纵模间距以及由声光效应产生的0级、1级和2级衍射光中的频移;观察了超声波的功率、频率、声光晶体的转角对衍射现象的影响;利用驻波法产生光拍频波,通过光速测量仪测定光速。通过实验中得到在干涉扫描仪自由光谱区为2667MHz时,;, MHz, MHz,;光速,与标准光速值相对误差。
关键词:声光效应光拍频波双光束相位比较法光速测量
引言
光速是最基本的物理常数之一。光速的精确测定及其特性的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,波长较短,很难得到精确地数值,直到激光出现以后,采用测量光波频率和其波长的方法测得了精确地真空中的光速。
在本实验中主要是采用光拍法测量光速,主要目的是在了解光拍频波原理的基础上,了解声光效应以及驻波法产生声光频移的条件和特点,掌握光拍法测量光速的技术。
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,将会形成拍。对于振幅都为圆频率分别为和,且传播方向相同的两束单色光
(1)
(2)
它们的叠加为
(3)
t
E1+E2
图1、光拍频波
当,且较小,合成的光波是带有低频调制的高频波,振幅为,角频率为。由于振幅以周期性地缓慢变化,可将合成的光波称为光拍频波,为拍频,图1为合成后的光拍频波示意图。
拍频信号的检测
实验中可用光电检测器接收光信号,光电检测器所产生的光电流与接收到的光强成正比:
(4)
式中g为光电转换系数,由于光的频率极高(),而光电接收器只能对以下的光强变化做出反应,因此实际得到的光电流近似为响应时间内光电检测器接收到的光强平均值:
(5)
式中,高频项平均值为0。光电检测器输出的光电流包括直流和光拍频波两部分,滤去直流,即可得到频率为,初相位为,相位和空间位置有关的简谐拍频信号。
如图2所示,测量两个相邻同相位点A、B之间的距离,这样,光拍频波的波长,即
图2 光拍的空间分布
(6)
只需测得和即可间接确定光速c。
利用声光效应产生光拍频波
功率信号输出角频率为Ω的正弦信号加在频移器的晶体压电换能器上,超声波沿方向通过声光介质,使介质内产生应变,导致介质的折射率在空间和时间上发生周期性变化,形成一个相位光栅,使入射激光发生衍
射,这种衍射光的频率产生了与超声波频率有关的频率移动,实现激光移频的目的,因此在实验中就可以获得确定频率差的两束光。
采用驻波法产生频移,各级衍射光中的频率分布和相应的频移量可用扫描干涉仪测量。,使声光介质的厚度为超声波半波长的整数倍,超声波产生反射,在介质中形成驻波场,其结果使入射激光产生多级对称衍射,第L级衍射光的角频率为
(7)
式中,L,m=0,±1,±2,±3,…在实验中用到1级衍射的衍射光中的不同频率波。
共焦球面扫描干涉仪
图3 扫描干涉仪结构图
共焦球面扫描干涉仪的结构如图3,有两个