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1、光拍频法测量光速光波是电磁波，光速是最重要的物理常数之一。光速的准确测量有重要的物理意义，也有重要的实用价值。基本物理量长度的单位就是通过光速定义的。测量光速的方法很多，有经典的有现代的。我们需要的是物理概念清楚、成本不高而且学生能够在实验桌上直观、方便地完成测量的那种方法。我们知道，光速c=s/Δt，s是光传播的距离，Δt是光传播s所需的时间。例如c=fλ中，λ相当上式的s，可以方便地测得，但光频f大约1014Hz，我们没有那样的频率计，同样传播λ距离所需的时间Δt=1/f也没有比较方便的测量方法。如果使f变得很低，例如30MHz，那么波长约为10
2、m。这种测量对我们来说是十分方便的。这种使光频“变低”的方法就是所谓“光拍频法”。本实验利用激光束通过声光移频器,获得具有较小频差的两束光,它们迭加则得到光拍;利用半透镜将这束光拍分成两路，测量这两路光拍到达同一空间位置的光程差（当相位差为2π时光程差等于光拍的波长）和光拍的频率从而测得光速。一、实验目的1． 掌握光拍频法测量光速的原理和实验方法,并对声光效应有一初步了解。2． 通过测量光拍的波长和频率来确定光速。二、原理1.光拍的形成及其特征 根据振动叠加原理，频差较小，速度相同的两列同向传播的简谐波叠加即形成拍。若有振幅相同为E0、圆频率分别
3、为和（频差较小）的二光束：式中，为波数，和为初位相。若这两列光波的偏振方向相同，则叠加后的总场为：图1拍频波场在某一时刻t的空间分布 上式是沿x轴方向的前进波，其圆频率为，振幅为，因为振幅以频率为周期性地变化，所以E被称为拍频波，称为拍频，为拍频波的波长。2.光拍信号的检测用光电检测器（如光电倍增管等）接收光拍频波，可把光拍信号变为电信号。因为光检测器光敏面上光照反应所产生的光电流与光强（即电场强度的平方）成正比，即g为接收器的光电转换常数。光波的频率：Hz；光电接收管的光敏面响应频率一般≤109Hz。因此检测器所产生的光电流都只能是在响应时间（
4、）内的平均值。结果中高频项为零，只留下常数项和缓变项，缓变项即是光拍频波信号，是与拍频相应的角频率，为初位相。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，检测器输出频率为拍频、初相位、相位与空间位置有关的光拍信号（见图1）。3.光拍的获得 为产生光拍频波,要求相叠加的两光波具有一定的频差。这可通过声波与光波相互作用发生声光效应来实现。介质中的超声波能使介质内部产生应变引起介质折射率的周期性变化,就使介质成为一个位相光栅。当入射光通过该介质时发生衍射,其衍射光的频率与声频有关。这就是所谓的声光效应。本实验是用超声波在声光介质
5、与He—Ne激光束产生声光效应来实现的。具体方法有两种,一种是行波法,如图2（a）所示,在声光介质与声源(压电换能器)相对的端面敷以吸声材料,防止声反射,以保证只有声行波通过介质。当激光束通过相当于位相光栅的介质时，使激光束产生对称多级衍射和频移,第L级衍射光的圆频率为,其中是入射光的圆频率,为超声波的圆频率,L=0,±1,±2,...为衍射级。利用适当的光路使零级与+l级衍射光汇合起来,沿同一条路径传播,即可产生频差为的光拍频波。 另一种是驻波法,如图2(b)所示,在声光介质与声源相对的端面敷以声反射材料,以增强声反射。沿超声传播方向,当介质的
6、厚度恰为超声半波长的整数倍时,前进波与反射波在介质中形成驻波超声场,这样的介质也是一个超声位相光栅,激光束通过时也要发生衍射,且衍射效率比行波法要高。第L级衍射光的圆频率为.若超声波功率信号源的频率为F=W/2p,则第L级衍射光的频率为.式中L,m=0,士1,±2,...,可见,除不同衍射级的光波产生频移外,在同一级衍射光内也有不同频率的光波。因此,用同一级衍射光就可获得不同的拍频波。例如,选取第1级（或零级）,由m=0和m=-1的两种频率成分叠加,可得到拍频为2F的拍频波。 本实验即采用驻波法。驻波法衍射效率高，并且不需要特殊的光路使两级衍射光
7、沿同向传播，在同一级衍射光中即可获得拍频波。图2相拍二光波获得示意图 4.光速c的测量实验通过实验装置获得两束光拍信号，在示波器上对两光拍信号的相位进行比较，测出两光拍信号的光程差及相应光拍信号的频率，从而间接测出光速值。假设两束光的光程差为L，对应的光拍信号的相位差为，当二光拍信号的相位差为2π时，即光程差为光拍波的波长时，示波器荧光屏上的二光束的波形就会完全重合。由公式便可测得光速值c。式中L为光程差，F为功率信号发生器的振荡频率。三 仪器与装置 本实验所用仪器有CG-Ⅳ型光速测定仪、示波器和数字频率计各一台。1、光拍法测光速的电路原理：电路
8、原理图如图3所示。1）发射部分 长250mm的氦氖激光管输出激光的波长为632.8nm，功率大于1mw的
