光拍法测光速实验的调节技巧.doc

光拍法测光速实验的调节技巧作者:李波指导老师:杨建荣 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;,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=±,,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。 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。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。测定了和光拍频Δf,即可确定光速C。。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