光拍法測量光速前言光在真空中的傳播速度是一個重要的基本物理常數(shù)，許多重要的物理概念和物理量都與它有密切的關(guān)系。麥克斯韋的光的電磁理論中的常數(shù)c,一方面等于電荷的電磁單位與靜電單位的比值,另一方面它又預(yù)示了電磁場的傳播速度,即電磁波以光速傳播,光是一種電磁波.此后首先被赫茲的實驗所證實。歷史上圍繞運(yùn)動介質(zhì)對光的傳播速度的影響問題，曾做過許多重要實驗；同時在實驗上和理論上作過各種探討，最終導(dǎo)致了愛因斯坦相對論的建立。光的速度與許多物理量有關(guān)，例如電磁學(xué)中的真空電容率ε0與真空磁導(dǎo)率μ0，里德伯常數(shù)R，質(zhì)子、中子、電子、μ子等基本粒子的質(zhì)量等。因此光速值的精確測量將關(guān)系到許多物理量值精度的提高，它是一項十分重要的課題。自17世紀(jì)伽利略第一次測定光速以來，在各個時期，人們都用當(dāng)時最先進(jìn)的技術(shù)和方法來測量光速。1941年美國人安德森用電光調(diào)制法，即利用克爾盒作為一個光開關(guān)，調(diào)制光束，使光強(qiáng)產(chǎn)生1.9×107赫的變化，測得光速值為2.99766×108m1966年卡洛路斯，赫姆伯格用聲光頻移法，產(chǎn)生光拍頻波，測量光拍頻波的波長和頻率，測得光速c=(299,792.47±0.15)×103m1970年美國國家標(biāo)準(zhǔn)局和美國國立物理實驗室最先用激光作了光速測定。根據(jù)波動基本公式c=λυ，之間測量光波波長與光波頻率而求得c的數(shù)值。光的波長是用邁克耳孫干涉儀來直接測定;光波的頻率是通過一系列混頻、倍頻、差頻技術(shù)，利用較低頻率的電磁波去測量較高頻率，再以較高頻率測量更高頻率，最后達(dá)到測得光頻的目的。因此，于1975年第十五屆國際計量大會提出了真空中光速為：c=(299,792,458±1)m/s。1983年國際計量局召開的第七次米定義咨詢委員會和第八次單位咨詢委員會決定，以光在真空中秒時間間隔內(nèi)所傳播的距離，作為長度單位米的定義。這樣，光速c=(299,792,458m/s就成了定義性常數(shù)，這個值被定義為精確值。直到現(xiàn)在，不少科學(xué)發(fā)達(dá)的國家仍集中了一批優(yōu)秀的科學(xué)家，在提高光速的精確度方面進(jìn)行著工作。本實驗是用聲光頻移法獲得光拍，通過測量光拍的波長和頻率，來確定光速。通過實驗，學(xué)習(xí)光拍法測光速的原理和實驗方法，同時對聲光效應(yīng)有一初步的了解。一、實驗?zāi)康恼莆展馀念l法測量光速的原理和實驗方法,并對聲光效應(yīng)有一初步了解。通過測量光拍的波長和頻率來確定光速。二、原理根據(jù)振動疊加原理，頻差較小，速度相同的兩列同向傳播的簡諧波疊加即形成拍。若有振幅相同為E0、圓頻率分別為和（頻差較?。┑亩馐菏街?，為圓波數(shù)，和分別為兩列波在坐標(biāo)原點的初位相。若這兩列光波的偏振方向相同，則疊加后的總場為：圖1拍頻波場在某一時刻t的空間分布上式是沿軸方向的前進(jìn)波，其圓頻率為，振幅為，因為振幅以頻率為周期性地變化，所以被稱為拍頻波，稱為拍頻。如果將光頻波分為兩路，使其通過不同光程后入射同一光電探測器，則該探測器所輸出的兩個光拍信號的位相差與兩路光的光程差之間的關(guān)系仍由上式確定。當(dāng)時，L=,恰為光拍波長，此時上式簡化為：，可見，只要測定了和，即可確定光速。為產(chǎn)生光拍頻波,要求相疊加的兩光波具有一定的頻差,這可通過超聲與光波的相互作用來實現(xiàn)。超聲(彈性波)在介質(zhì)中傳播,使介質(zhì)內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)變引起介質(zhì)折射率的周期性變化,就使介質(zhì)成為一個位相光柵。當(dāng)入射光通過該介質(zhì)時發(fā)生衍射,其衍射光的頻率與聲頻有關(guān)。具體方法有兩種,一種是行波法,如圖2（a）所示,在聲光介質(zhì)與聲源(壓電換能器)相對的端面敷以吸聲材料,防止聲反射,以保證只有聲行波通過介質(zhì)。當(dāng)激光束通過相當(dāng)于位相光柵的介質(zhì)時，使激光束產(chǎn)生對稱多級衍射和頻移,第L級衍射光的圓頻率為,其中的是入射光的圓頻率,為超聲波的圓頻率,L=0,±1,±2,...為衍射級。利用適當(dāng)?shù)墓饴肥沽慵壟c+l級衍射光匯合起來,沿同一條路徑傳播,即可產(chǎn)生頻差為的光拍頻波。另一種是駐波法,如圖2(b)所示,在聲光介質(zhì)與聲源相對的端面敷以聲反射材料,以增強(qiáng)聲反射。沿超聲傳播方向,當(dāng)介質(zhì)的厚度恰為超聲半波長的整數(shù)倍時,前進(jìn)波與反射波在介質(zhì)中形成駐波超聲場,這樣的介質(zhì)也是一個超聲位相光柵,激光束通過時也要發(fā)生衍射,且衍射效率比行波法要高。第L級衍射光的圓頻率為若超聲波功率信號源的頻率為F=/2,則第L級衍射光的頻率為圖2相拍二光波獲得示意圖式中L,m=0,士1,±2,...,可見,除不同衍射級的光波產(chǎn)生頻移外,在同一級衍射光內(nèi)也有不同頻率的光波。因此,用同一級衍射光就可獲得不同的拍頻波。例如,選取第1級（或零級）,由m=0和m=-1的兩種頻率成分疊加,可得到拍頻為2F比較兩種方法,顯然駐波法有利。本實驗采用的是駐波法制成的聲光頻移器。三、實驗步驟1．

接通電源開關(guān)，預(yù)熱30分鐘后儀器各部分工作趨于穩(wěn)定，期間可以進(jìn)行有關(guān)的準(zhǔn)備工作。2．

接通激光器電源開關(guān)，觀察激光器是否穩(wěn)定工作。3．

打開示波器電源。4．

調(diào)節(jié)超聲波頻率，使衍射光斑最強(qiáng)；調(diào)節(jié)光欄，使+1級或－1級光通過光欄。5．

用斬光器件檔住遠(yuǎn)程光束“2”，調(diào)節(jié)近程光束所經(jīng)各6．

正確調(diào)節(jié)示波器，這時在示波器上應(yīng)能看到與近程光束相應(yīng)的經(jīng)混頻后的光拍波形，仔細(xì)調(diào)節(jié)光電接收管的位置調(diào)節(jié)螺絲，使示波器上看到的信號最大。7．

用斬管器擋住近程光，調(diào)節(jié)遠(yuǎn)程光束所經(jīng)各反射元件，使遠(yuǎn)程光束的光入射到光電接收管的光敏面上，這時示波器屏上應(yīng)有與遠(yuǎn)程光束相對應(yīng)的經(jīng)混頻后的光拍波形出現(xiàn)。仔細(xì)調(diào)節(jié)正交半透半反射鏡組的左右位置和仰角，使示波器上顯示的信號最大。8．

接通斬光器開關(guān)，使斬光器旋轉(zhuǎn)，可在示波器上同時觀察到遠(yuǎn)、近程光信號的圖形，適當(dāng)微調(diào)光路和光電接收管的位置調(diào)節(jié)螺絲，使示波器上顯示的二路光信號均有一定的幅度。9．

移動直角棱鏡，使二路光的光程差剛好為（位相差為2）。10．測量光拍的波長和對應(yīng)的超聲波的頻率F。11．重復(fù)9、10步驟五次，測量五組數(shù)據(jù)。12．

移動直角棱鏡，使二路光的光程差剛好為（位相差為）；重復(fù)測量五次，得到五組數(shù)據(jù)。13．由C=Δfλ（Δf=2F）計算光速，并計算均方誤差。四、注意事項切勿用手或其它污物接觸光學(xué)表面。切勿帶電觸摸激光管電極等高壓部位。五、思考題什么是光拍頻波？斬光器的作用是什么？為什么采用光拍頻法測光速？獲得光拍頻波的兩種方法是什么？本實驗采取哪一種？分析本實驗的主要誤差來源，并討論提高測量精確度的方法