光拍法测光速实验的调节技巧

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1、光拍法测光速实验的调节技巧摘要光拍法测光速仪器的调节很困难。本文就通过实验来探讨该实验仪器的一些调节技巧，包括全反射镜、半反半透镜、三棱镜等声光器件的调节规律以及不同频率对实验的影响。此外本文也分析了该实验产生误差的一些原因，以及减小误差的方法。关键词光速;光拍法;相拍;差频法中图分类号O466.31引言光在真空中的传播速度是一个极其重要的基本物理常量，许多物理概念和物理量都与它有密切的联系，光速值的精确测量将关系到许多物理量值精确度的提高，所以长期以来对光速的测量一直是物理学家十分重视的课题。当高稳定的激光出现后，人们渴望更精确地测量光速。1970年美国国家标准局和美国国立物理实验室最先用

2、激光测定。根据波动基本公式C=λ，光的波长用迈克尔逊干涉仪直接测量，光的频率用较低频率的电磁波通过一系列混频、倍频、差频技术测量效高频率，再以较高频率测量更高频率的方法测得。1975年第十五届国际计量大会提出了真空光速为C=299792458±0.001m/s.本实验用声光频移法获得光拍,通过测量光拍的波长和频率来确定光速.光拍法测量光速是现在比较常见的一种测光速的方法，我们实验室测量光速用的仪器是LM2000c光速测量仪。它操作方便、快捷，而且准确度也很高。但是它在实验前的调节却很困难。2实验原理2.1光拍的产生和传播 根据振动迭加原理，频差较小、速度相同的二同向传播的简谐波相迭加即形成拍

3、。考虑频率分别为和（频差-较小）的光束(我们假定它们具有相同的振幅)：E＝Ecos(ωt–KX+ф)E＝Ecos(ωt–KX+ф)它们的迭加（1）是角频率为，振幅为的前进波。注意到的振幅以频率周期地变化，所以我们称它为拍频波,就是拍包络E1+E2图一光拍频的形成6频，如图一所示我们用光电检测器接收这个拍频波。因为光检测器的光敏面上光照反应所产生的光电流系光强所引起，故光电流为,g为接收器的光电转换常数。把（l）代入（2），同时注意：由于光频甚高（），光敏面来不及反映频率如此之高的光强变化，迄今仅能反映频率左右的光强变化，并产生光电流；将io对时间积分，并取对光检测器的响应时间的平均值。结果i

4、。积分中高频项为零，只留下常数项和缓变项。即：（3）其中Δω是与Δf相应的角频率，Δф＝ф1-ф2为初相。可见光检测器输出的光电流包含有直流和光拍信号两种成分。滤去直流成分，即得频率为拍频Δf，位相与初相和空间位置有关的输出光拍信号。i。图二光拍的空间分布C/Δfgx0图二是光拍信号i。在某一时刻的空间分布，如果接收电路将直流成分滤掉，即得纯粹的拍频信号在空间的分布。这就是说处在不同空间位置的光检测器，在同一时刻有不同位相的光电流输出。这就提示我们可以用比较相位的方法间接地决定光速。事实上，由（3）可知，光拍频的同位相诸点有如下关系：或（4）n为整数，两相邻同相点的距离即相当于拍频波的波长。

5、测定了和光拍频Δf，即可确定光速C。2.2相拍二光束的获得光拍频波要求相拍二束具有一定的频差。使激光束产生固定频移的办法很多。我们所用的是是驻波法。利用声波的反射，使介质中存在驻波声场（相应于介质传声的厚度为半声波长的整数倍的情况）。它也产生1级对称衍射，而且衍射光比行波法时强得多（衍射效率高），第1级的衍射光频为：ω=ω+(1+2m)Ω，其中l，m＝0，士1，士2……可见在同一级衍射光束内就含有许多不同频率的光波的迭加（当然强度不相同），因此用不到光路的调节就能获得拍频波。例如选取第一级，由m=0和-1的两种频率成分迭加得到拍频为2Ω的拍频波。3实验仪器3.1LM2000C光速测量仪光学系

6、统示意图（图三）       6  图三光学系统示意图 3.2LM2000C光速测量仪光电系统框图（图4） 示波器整形~/П混频电路I光电放大电路本荡电路149．545MHz÷2电路74．7725MHz混频电路II455KHzY1455KHzY2XП~150MHz75MHz混频声光功率源（主振）外触发参考П227.5KHz内光路外光路150MHz光信号图四光电接收系统框图  3.3双光束位相比较法测拍频波长 用相位法测拍频波的波长，须经过很多电路，必然会产生附加相移。6主振本振φ1φ2φ4φ3测相系统φu1u2图五电路系统的附加相移         我们以主控振荡器的输出端作为位相参考原点来

7、说明电路稳定性对波长测量的影响。φ1，φ2分别表示发射系统和接收系统产生的相移，φ3，φ4分别表示混频电路Ⅱ和Ⅰ产生的相移，φ为光在测线上往返传输产生的相移。由图看出，基准信号u1到达测相系统之前位相移动了φ4，而被测信号u2在到达测相系统之前的相移为φ1+φ2+φ3+φ。这样和u1之间的位相差为φ1+φ2+φ3-φ4+φ=φ′+φ。其中φ′与电路的稳定性及信号的强度有关.如果在测量过程中φ′的变化很小以致可