聲光效應(yīng)與光拍法測光的速度

PAGEPAGE6聲光效應(yīng)與光拍法測光的速度摘要：本實驗通過利用聲光效應(yīng)原理及駐波法產(chǎn)生聲光頻移，利用光拍法測量光速，同時觀察了超聲波的頻率、聲光晶體的轉(zhuǎn)角對衍射現(xiàn)象的影響。在本實驗中在超聲波頻率為Ω=75.055MHz下側(cè)得的光速大小為c=3.117*10^8m/s關(guān)鍵詞：聲光效應(yīng)、頻移、雙光速相位比較法、光拍頻波、駐波法引言光速是最基本的物理常數(shù)之一，光速的精確測量和特性研究與近代物理學(xué)和實驗技術(shù)的許多重大問題關(guān)系密切。由于光速的數(shù)值很大，光波的波長很小，其測量面臨著一系列問題。直到1960年出現(xiàn)激光后，用激光得到現(xiàn)在認(rèn)為最精確光速值c=(299792458±1)m/s。聲光效應(yīng)在光信號處理和集成光通訊方面有重要應(yīng)用。本實驗利用聲光效應(yīng)可以產(chǎn)生光拍頻波，最后通過對光拍頻波光強信號的檢測可以間接地測得光速。實驗原理光拍頻波根據(jù)波的疊加原理,兩束傳播方向相同,頻率相差很小的簡諧波相疊加即形成拍。對于振幅都為E0，圓頻率分別為ω1和ω2，且沿相同方向（假設(shè)為沿x方向)傳播的兩束單色光它們的疊加為：當(dāng)ω1＞ω2,且Δω=ω1-ω2較小時，合成光波是帶有低頻調(diào)制的高頻波，振幅為，角頻率為，振幅以頻率周期性地緩慢地變化。（如圖1）圖1拍的形成圖2、Ic在某個時刻的空間分布拍頻信號的檢測在實驗中我們用光電檢測器接受光信號，光電檢測器所產(chǎn)生的光電流與接受到的光強成正比：……………………公式SEQ公式\*ARABIC1式中g(shù)為光電轉(zhuǎn)換系數(shù)。實際得到的光電流Ic近似為響應(yīng)時間τ內(nèi)光電檢測器接收到的光強的平均：……………公式SEQ公式\*ARABIC2在某一時刻t，置于不同空間位置的光電檢測器將輸出不同相位的光電流，因此，用比較相位的方法可以間接測定光速。假設(shè)在測量線上有兩點A和B，由(4)式可知，在某一時刻t，當(dāng)點A與B之間的距離等于光拍頻波波長λ的整數(shù)倍時，該兩點的相位差為……公式SEQ公式\*ARABIC3因為有，因此……公式SEQ公式\*ARABIC4當(dāng)相鄰兩個同相位點之間的距離等于光拍頻波的波長λ，即n=1時，由公式7得……公式SEQ公式\*ARABIC5上式說明，只要我們在實驗中測出和λ，就可間接確定光速c。（如圖2）共焦球面掃描干涉儀原理其光路圖如圖3所示。光沿接近軸向方向入射干涉儀時，光線在腔內(nèi)反射，忽略反射鏡球面差的情況下，反射光線走一閉合路徑，反射后與入射光線重合，光程差滿足△＝4μL。當(dāng)滿足4L＝kλ時干涉極大，且通過干涉儀的激光頻率滿足，SEQ公式\*ARABIC6圖3：共焦球面掃描干涉儀的光路圖。掃描干涉儀的自由光譜區(qū)是指干涉儀能夠測量的不重序的最大波長差或最大頻率差，，相當(dāng)于光波的相干級次不變，而波長改變?yōu)槔寐暪庑?yīng)產(chǎn)生光拍頻波光拍頻波要求相拍的兩束光有確定的頻率差。本實驗通過聲光效應(yīng)使He-Ne激光器的632.8nm譜線產(chǎn)生固定頻差。如圖4功率信號源輸出角頻率為Ω的正弦信號加在頻移器的晶體壓電換能器上，超聲波沿x方向通過聲光介質(zhì)，使介質(zhì)內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)變，導(dǎo)致介質(zhì)的折射率在時間和空間上發(fā)生周期性變化，成為相位光柵，入射的激光束因發(fā)生衍射而改變傳播方向，這種衍射光的頻率產(chǎn)生了與超聲波頻率有關(guān)的頻率移動，實現(xiàn)了使激光束頻移的目的，因此我們在實驗中可獲得確定頻率差的兩束光。我們在實驗中是使用效率較高的駐波法產(chǎn)生頻移。第L級衍射光的角頻率為：……公式SEQ公式\*ARABIC7圖4、聲光效應(yīng)原理示意圖圖5、光速測量儀主機結(jié)構(gòu)示意圖雙光束相位比較法測量光速實驗中采用“雙光束位相比較法”進行相位比較。光拍頻信號進入光電二極管后轉(zhuǎn)化為光拍頻電信號，輸出到示波器的Y輸入端。同時，將高頻信號源的另一路輸出信號作為外觸發(fā)信號。當(dāng)斬波器高速旋轉(zhuǎn)擋住近程光和遠(yuǎn)程光。眼的視覺暫留效應(yīng)及示波器熒光屏的余輝效應(yīng)，可以同時顯示出近程光、遠(yuǎn)程光和零信號的波形.。通過改變遠(yuǎn)程光的光程,使其波形與近程光波形重合。此時遠(yuǎn)程光和近程光的光程差即為拍頻波長λ。實驗步驟光速儀的檢查與調(diào)整按照圖6接好光速測量儀的電路.檢查各光學(xué)元件的幾何位置。打開激光電源,預(yù)熱15分鐘，使激光器的輸出功率達到穩(wěn)定狀態(tài)。圖6光拍法測光速的電原理圖測量聲光效應(yīng)產(chǎn)生的頻移(1) 調(diào)節(jié)反射鏡2和掃描干涉儀，使激光束與干涉儀接近準(zhǔn)直狀態(tài)，在示波器上觀察到激光的縱模。(2) 根據(jù)掃描干涉儀的自由光譜區(qū)確定激光縱模間距，本實驗所用掃描干涉儀自由光譜區(qū)為1875MHz。(3) 打開信號發(fā)生器，調(diào)節(jié)高頻信號發(fā)生器輸出頻率至75MHz，并使示波器處于外觸發(fā)狀態(tài)，觀察0，+1級衍射光中頻率的分布，微調(diào)高頻信號發(fā)生器的輸出功率，記錄各頻率成分光強度的變化，衍射效率最高時，用縱模間距標(biāo)定，測量衍射光中各成分的頻率差,比較頻率計讀數(shù)，并描出相應(yīng)譜線。(4) 微調(diào)掃描干涉儀水平位置1級衍射光分別對正掃描干涉儀的入射小孔，重復(fù)上一步內(nèi)容。雙光速相位比較法測量光速(1)取下反射鏡2，粗調(diào)光闌和反光鏡的中心高度，使其成等高狀態(tài)；調(diào)整光闌及反射鏡的角度，使+1級或-1級衍射光通過光闌后一次投射到各級反射鏡的中心點。(2)關(guān)閉斬波器電源，調(diào)節(jié)反射鏡，使近程光通過光電二級管前的透鏡中心，射入光電二級管，在示波器熒光屏上出現(xiàn)近程光束的正弦波形。(3)手動斬波器切斷近程光，逐級細(xì)調(diào)遠(yuǎn)程光路，使遠(yuǎn)程光射入光電二極管，在示波器上出現(xiàn)遠(yuǎn)程光束的正弦波形。注意應(yīng)使進程光與遠(yuǎn)程光在同一點射入光電二極管，否則會引入附加的相位差。(4)打開斬波器電源，示波器熒光屏上將出現(xiàn)遠(yuǎn)程光束和近程光束產(chǎn)生的兩個正弦波形。如果它們的振幅不相等，可調(diào)節(jié)光電二極管前的透鏡，改變進入檢測器光敏面的光強大小，使近程光束和遠(yuǎn)程光束的幅值相等。調(diào)節(jié)信號發(fā)生器輸出頻率，當(dāng)其接近聲光轉(zhuǎn)換器的中心頻率時，波幅為最大。(5)緩慢移動光速儀上的滑動平臺，改變遠(yuǎn)程光束的光程，使示波器中兩束光的正弦波形完全重合。此時,遠(yuǎn)程光束和近程光束的光程差等于拍頻波波長，即。(6)測出遠(yuǎn)程光和近程光的光程差值。并從數(shù)字頻率計讀出高頻信號發(fā)生器的輸出頻率，代入公式，即可求得光速c，此時測出的光速是光在空氣中的實驗結(jié)果及分析激光縱模定標(biāo)及觀察衍射影響因素4.1.10級、衍射光的頻率分布圖70級衍射縱模間距（格）AD=25分裂間距（格）DE=2.8Δf=2.8/(2*25)*2667MHz=149.7352MHz數(shù)字頻率計上顯示的頻率為Ω=74.851MHz左右，相對誤差為0.2%。4.1.2觀察衍射影響因素在測量過程中，由于光通過晶體會產(chǎn)生O光和E光，其傳播速度不一樣，所以轉(zhuǎn)動晶體的角度，會使光子的動量發(fā)生變化，因此衍射會發(fā)生變化。如果取開始衍射最好是的角度為0度，隨著晶體的轉(zhuǎn)動0級會漸漸的變強，變亮，而次級會變暗至消失。在增大功率時，所有信號都變強，而衍射情況不變。而對于頻率的增大，衍射強度會減小，并且衍射情況也會被改變。實驗及誤差分析：示波器的讀數(shù)不夠精確，縱模不是一條細(xì)線，有一定的寬度，且波形并不是十分穩(wěn)定，造成了一定的實驗誤差。由于長時間工作，激光的共振腔有微小變化。雙光束相位比較法測量光速實驗數(shù)據(jù)及處理見表2.表2雙光束相位比較法測量光速相位差為0相位差為πx10/cmx20/cmx1/cmx2/cmdx/cmc/10^8m·s^(-1)100.149.9953.48206.743.10337420054.5447.61204.33.06674730053.1951.95210.283.1565134005152.39206.783.10397550052.7852.222103.15231平均值00.0252.351.53207.623.116584光程差的計算：Δf=2Ω=2*75.055MHz由c=Δf*dx測得光速值：c=3.117×m/s。實驗結(jié)論和建議通過本次實驗，我們了解了光拍頻率的概念及聲光效應(yīng)的原理及駐波法產(chǎn)生聲光平移的實驗條件和特點，并在實驗過程中掌握測量光速的方法雙光束相位比較法。實