物理实验报告_声光效应与光拍法测光的速度.docVIP

PAGE PAGE 1 声光效应与光拍法测光的速度 【摘要】： 本实验利用扫描干涉仪测量激光的纵模间距及由声光效应产生的0级衍射劈裂；观察超声波的功率、声光晶体的转角对衍射现象的影响；根据声光效应原理采用驻波法产生拍频波,通过光速测量仪可对光速进行测量。通过本实验，了解光拍频波的概念、以及声光效应，掌握测量光速的技术。实验中测得激光的两纵模间距为614.75MHz；在超声波的频率为75MHz下0级衍射劈裂为122.95MHz；光速的大小为c=2.794×108 关键词： 声光效应、光拍频波、光速、驻波法、双光束相位比较法 一、实验引言： 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。光速已经直接用于距离测量，在国民经济建设和国防事业上大显身手，光的速度又与天文学密切相关，许多物理学中的基本常数都与光速有关。 从十七世纪伽利略第一次尝试测量光速以来，各个时期人们都采用最先进的技术来测量光速。1849年法国物理学家斐索(A.Fizeau)成功地在地球范围内对光速进行了测量，他是第一个证明光速可以在实验中测得的人.1850年法国物理学家傅科(J.Foucault)用旋转镜法使光源的像产生位移测得光速2.98×108 此后，测量光速的方法经历了一系列重大改进,所有这些方法都获得了数值相近的光速值。1960年激光出现以后英国国立物理实验室和美国国家标准局在1970年最先用激光测量了光速，其不确定度达。1973年6月，国际计量局米定义咨询委员会推荐了新的光速值为c=(299 792 4581)m/s。这是当前公认的最精确的光速值。 声光效应是指光通过某一受到超声波扰动的介质时发生衍射的现象，这种现象是光波与介质中声波相互作用的结果。早在本世纪30年代就开始了声光衍射的实验研究。60年代激光器的问世为声光现象的研究提供了理想的光源，促进了声光效应理论和应用研究的迅速发展。声光效应为控制激光束的频率、方向和强度提供了一个有效的手段。利用声光效应制成的声光器件，如声光调制器、声光偏转器、和可调谐滤光器等，在激光技术、光信号处理和集成光通讯技术等方面有着重要的应用。 二、实验原理： 2.1光拍频波 根据波的叠加原理,两束传播方向相同,偏振方向相同，频率相差很小的简谐波相叠加即形成拍。对于振幅都为E0,，圆频率分别为和,且沿相同方向(假设为沿方向)传播的两束单色光 （1） 叠加为 （2） 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地缓慢地变化,合成光拍频波如图1所示。 图一、光拍频波的形成 2.2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：，式中g为光电转换系数,由于光频率极高()，而一般光电器件仅能对108以下的光强变化作出反应，因此实际得到的光电流Ic近似为响应时间内光电检测器接收到的光强的平均 （3） 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频波两部分。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。 由于某一时刻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(3)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的整数倍时,该两点的相位差为 （4） 考虑到,且相邻两个同相位点之间的距离等于光拍频波的波长,即n=1时，有： （5） 上式说明,只要我们在实验中测出和,就可间接确定光速。 2.3利用声光效应产生光拍频波 声光效应就是研究光通过声波扰动的介质时发生散射或衍射的现象。 由于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，因此在实验中可获得确定频率差的两束光，并形成光拍频波。 本实验采用驻波法，它是使声光介质的厚度为超声波半波长的整数倍，使超声波发生反射,在声光介质中形成驻波场,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 （6） 上式中，为超声波角频率，…… 三、实验内容： 实验仪器： 示波器、扫描干涉仪、数字频率计、光速测量仪、He-Ne激光器 实验步骤： 1、测