学生实验报告
第二篇：光拍法测光速实验实验报告
20xx年近代物理实验
实
验
报
告
实验名称：小组成员：指导老师：
完成时间：2014.11.17
1实验目的
（1）理解光拍频的概念。
（2）掌握光拍法测光速的技术。
2实验仪器
CG-V光速测定仪、示波器、卷尺
3实验原理
3.1光拍的产生和特征
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。考虑频率分别为f1和f2（频差△f=f1-f2较小）的光束（为简化讨论，我
们假定它们具有相同的振幅）：
E1?Ecos(?1t?k1x??1)
E2?Ecos(?2t?k2x??2)
它们的迭加
????2?x??1??2???1??2?x??1??2?Es?E1?E2?2Ecos?1?cos?t????t?????2?2??2?c??2?c??
是角频率为?1??2
2????2?x??1??2?，振幅为2Ecos?1注意到Es?t???的前进波。2c2????
的振幅以频率?f??1??2周期地变化，所以我们称它为拍频波，?f就是拍频，2?
?????c为拍频波的波长，如图1
所示：?f
图1光拍频的形成
3.2光拍信号的检测
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（即电场强度的平方）所引起，故光电流为
i0?gEs2
g为接收器的光电转换常数。因光波的频率f0?1014Hz，而光电接收管的光敏面响应频率一般小于109Hz，所以检测器所产生的光电流都只能是在响应时间????11??????内的平均值。注意到i的展开式中高频项的积分为零，常数项和f?f?0?
差频的时间积分即为它们自身。于是
0?1
??i0dt?
???x???22?gEdt?gE1?cos??t?????s??c????????????1
??是与拍频?f相应的角频率，????1-?2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?f，初相位??，相位与空间位置有关的光拍信号，如图2所示：
图2光拍的空间分布
3.3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，使介质成为一个相位光栅。当入射光通过该介质时发生衍射，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3（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相位光栅的介质时，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?L??0?L?,其中?0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+1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3（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相位光栅，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?L,m??0??L?2m??。若超声波功率信号源的频率为F?
的频率为fL,m?f0??L?2m?F，式中L,m?0,?1,?2???。?，则第L级衍射光2?
图3项拍二光波获得示意图
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沿同向传播，在同一级衍射光中即可获得拍频波。
3.4光速的测量
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2?时，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c????f??L?F，便可测得光速值c。若二光拍信号的相位差为?时，光程差为光拍波的半波长
??，示波器荧光屏上的二光束的波形相差半2
个波长而不重合。式中?L为光程差,F为功率信号发生器的振荡频率。
3.5仪器工作原理
图4电原理方框图
(1)发射部分：氦氖激光器波长为632nm,功率大于1mW的激光束射入声光频移器中，同时功率信号输出的频率为50MHz左右，功率1W左右的正弦信号加在移频器晶体换能器上，声光介质中产生声驻波，使介质产生相应疏密变化，形成一位相光栅，则出射光具有2种以上的光频，其产生的“光拍”信号为高频功率信号的倍频（详见实验指导书）高频功率信号源，经预选放大，功率放大输出。
(2)光电接收和信号处理部分：由光路系统出射的拍频光，经光学镜片反射和聚焦后照射到光电二极管上，转化为光拍频的高频信号，经过放大输入至分频器盒。该信号与本机振荡信号混频，选频放大后输出至示波器的Y输入端。与此同时高频信号源的另一路高频信号输入至分频器盒，经过与除2分频后的本振信号混频，选频放大后作为示波器的外触发信号。需要指出的是，如果使用示波器内触发，将不能正确显示二路光波之间的相位差。
（3）电源：激光器电源采用倍压整流电路，工作电压部分采用大电解，有一定的电流输出，触发电压采用小容量电容，电路结构简洁、可靠。±15V电源采
用三端固定集成稳压器件，分别供给光电接收器和信号处理部分以及高频信号源。-15V经降压调节处理后供给斩光器电机用。±15V电源电压指示灯由稳压电源供给。
（4）
图5仪器结构图
4实验内容
(1)接通电源开关，激光器应射出光束。
(2)按示波器使用说明书，将示波器的各有关开关和旋钮置于适当位置上。Y轴衰减和扫描速度按输入信号强度和频率适当选择。注意！必须将示波器设置成外触发工作状态，否则不能准确比较光拍信号的相位差。
(3)接通稳压电源开关，两个指示灯亮。表示±15V电源正常供电。
(4)使激光器的光束无阻碍地通过声光频移器通光孔的中心，与声光介质中声场相互作用（通过调节频移器底座上的六只螺丝来完成），在光栏上应看到一排水平衍射光斑点。
(5)让光栏<4>中心孔高度与光路反射镜面<5>中心等高，使激光束无遮挡地顺利通过光栏（注意：做此步调节时应关闭稳压电源开关）。
(6)用斩光器<13>挡住远程光，调节全反镜<5>和半反镜<9>使近程光经聚焦镜
<18>的中心入射到光电接收器<17>光电二极管的光敏面上，拨开光电接收器盒上的窗口<19>可观察激光束斑点是否准确地入射在光敏面的中心上，示波器上应看
到光拍波形出现（注意：此步调节应接通稳压电源开关）。
(7)用斩光器挡住近程光，调节半反镜<8>全反镜<6，7>三棱镜<10，11，12>经半反镜<9>与近程光在半反镜上的相同的路线
入射到光敏管的光敏面中心点
上。示波器上应看到光拍波形出现。(6)，(7)两步骤应反复调节，直至达到要求。(8)光电二极管（即它的光敏面）的方位可通过调节装置<20、21>反复仔细调节，使波形振幅值最大。
(9)检查示波器是否工作在外触发状态。接通斩光器的电源开关，调节斩光器频率控制旋钮，在示波器上显示出近程光和远程光稳定的信号波形。
(10)移动棱镜<11、12>改变远近光程差，可使相应二光拍信号同相（相位差为2?）。
(11)测量光程差?L,拍频?f?2F,其中F为功率信号源的振荡频率。(12)根据公式C?若????，则?L?
2?f?L
计算光速C，若???2?,则?L??为光拍波长；??。
?
2
5实验数据及处理
实验利用计算机处理数据，数据及结果如表1所示：
频率
F/MHz
相位差
??/rad
近光程
A/cm
远光程
B/cm
光程差
?L/cm
光速
c/?108(m?s?1)
光速平均值
/?108(m?s?1)相对不准确度/%1.56
标准差S0.05
50.002?2?
13.8014.00
308.00310.00
294.20296.00
2.9422.960
2.951
表1光速测量数据及结果
6实验结果及分析
实验测得光速平均值为2.951×108m/s，与真空中光速值2.99792×108m/s比较，实验结果的相对不确定度为1.56%，标准差为0.05，在误差应许的范围内。实验测量的光速低于真空中光速是由测量仪器处在空气环境中所致，实际为空气中光的传播速度。
取空气折射率为1.0003，将实验测得的光速平均值折合成真空中光速为2.952×108m/s。此时，相对不确定度为1.53%，标准差为0.04，结果优于前文。
7存在的问题
（1）光程测量不精确，存在很大的误差。
（2）全反射棱镜内的光程无法有效测量，折射率也未给出。
（3）在远、近程光相位调节时，示波器没有准确的参考线，不能准确的调节成同相位。
8参考文献
[1]袁学德.光拍法测量光速实验中的声光调制[J].大学物理实验,2005,01:21-24.
[2]张倩云,许灵静,芦立娟,张艳春.改进后的光拍法测量光速研究[J].物理与工程,2012,03:26-30.
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[4]王林茂,甘文胜,班冬梅.光拍法测量光速实验的改进[J].海南师范大学学报(自然科学版),2011,02:166-167.
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