光拍法测光速.docx

声光效应与光拍法测光速

摘要：实验通过扫描干涉仪测量了激光的纵模间距及由声光效应产生的0级衍射和一级衍射劈裂；根据声光效应原理采用驻波法产生拍频波，利用双光束相位比较法测量光速。

关键词：光速、声光效应、光拍频波、双光束相位比较法

一、 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。

1607年加伽利略做了世界上第一个测量光速的实验，虽然未能获得确定的结果，但实验的设计思想为后来实验测量光速提供了有益的启示。1849年斐索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年傅科用旋转镜法使光源的像产生位移测得光速2.98X108m/s，使光学实验技术产生了重大突破。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10-9。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=(299792458+1)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。本实验采用光拍法测定光速，实验目的是了解声光效应的原理及驻波法产生光频移的实验条件和特点，掌握光拍法测量光速的技术。

二、 实验原理

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E。,，圆频率分别为?1和少2，且沿相同方向(假设为沿x方向)传播的两束单色光

TOC\o"1-5"\h\z一一 X.一

E1=E0cos[①"—c)+叩 (1)

一一—，X、一

E2=E0cos[rn2(t--)+甲2] (2)

①一①,X、如一9 「①+①,X、卯+q

两式叠加后有E=E+E=2Ecos[1 2(t--)+(匕 2)]Xcos[t 2(t-—)+(t 2)](3)

1 2 0 2c2 2c2

图1光拍频波的形成

图1光拍频波的形成

当气>也，且As=气-气较小时，合成光波是带有低频调制的高频波,振幅为

①一①/]\/甲一甲J小，…，①+S,,,一，……①一① 一,-,

2E0cos[1^2(t-「+(122)],角频率为"2,由于振幅以频率Af=上兀2周期性地缓慢地变

化，我们将之称为光拍频波，Af称为拍频。光拍频的形成与传播如图1所示。

2、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：

I=gE2(4)

式中g为光电转换系数，由于光的频率极高(fo>1014Hz)，而光电接收器只能对108Hz以下的光强

1 1

变化作出反应，因此实际得到的光电流Ic近似为响应时间"f<T<盾j内光电检测器接收到的光强平均

值：

I=1\ldt

=1"]2EcoJi[t-W+[U]][2dt

TtI0 2 "cj"2jI

=2gE

=2gE2^1+cos

s-s

r

w一中)

—1 2

t一一

+

2

2

icj

12j

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Af=M，初相位刊一当，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。所以可以用比较相位的方

法间接测定光速。图2是光频信号I在某一时刻的空间分布。

图21在某一时刻的空间分布

假设在测量线上有两点A和B，由⑸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人的整数倍时，该两点的相位差为

(①-①)(*a*b)=2n兀，n=1,2,3， (6)

i2c

因为气-也=冲,且相邻两个同相位点之间的距离xA-七等于光拍频波的波长人,即n=1时有：

、c

x—x=X= (7)

上式说明，只要测出W和人,就可间接确定光速c。

3、利用声光效应产生光拍频

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。由于弹光效应，当超声纵波以行波形式在介质中传播时会使介质折射率产生正弦或余弦规律变化，并随超声波一起传播，当激光通过此介质时，就会发生光的衍射，即声光衍射。衍射光的强度、频率、方向等都随着超声波场而变化。

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