實驗一、光速的測量近代物理實驗光速是物理學中一個具有代表性的基本常數(shù)。許多物理概念和物理量都與它有密切的聯(lián)系。光速值的精確測量將關系到許多物理量值精確度的提高，所以長期以來對光速的測量一直是物理學家十分重視的課題。無論是那一個時代，幾乎都動員了最先進的科學技術對光速進行測量。尤其近幾十年來天文測量、地球物理、空間技術的發(fā)展以及計量工作的需要，使得光速的精確測量已變得越來越重要。光的偏轉和調(diào)制，則為光速測量開辟了新的前景，并已成為當代光通信和光計算機技術的中心課題。

相關情況介紹光速測量歷史1、1676年，丹麥物理學家羅默（Romer）第一個測出光的速度。2、1941年，美國安德森（H.L.Andreson)用克爾盒調(diào)制法，測出光速為2.99776×108m/s3、1966年，Karolus和Helmberger用聲光移頻法，測得光速為（299，792.47±0.25）×103m/s4、1975年第十五屆國際計量大會確認光速值為299792458±1.2m/s微波諧振腔法激光測速法Kerr盒調(diào)制光強法光譜學法微波干涉儀法

光速常用測量方法實驗目的1.了解聲光頻移法獲得光拍的方法。2.掌握光拍法測.光速的原理和實驗方法。3.熟練掌握用光速測定儀測量光速的技術。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。

實驗原理1.光拍的形成及其特征2.光拍信號的檢測3.光拍的獲得及光速c的測量1.光拍的形成及其特征（1）根據(jù)振動迭加原理，兩列速度相同、振面相同、頻差較小而同向傳播的簡諧波的疊加即形成拍。設有兩列振幅E相同（為了討論問題方便）、頻率分別為f1和f2（頻差△f=f1－f2較?。┑亩馐菏街?，為波數(shù)，和分別為兩列波在坐標原點的初位相。

若這兩列光波的偏振方向相同，這二列波疊加后得

1.光拍的形成及其特征（2）光拍的形成示意圖Es的振幅是時間和空間的函數(shù)，以頻率周期性地變化，稱這種低頻的行波為光拍頻波，就是拍頻。

2.光拍信號的檢測用光電檢測器（如光電倍增管等）接收光拍頻波，可把光拍信號變?yōu)殡娦盘枴Ｒ驗楣鈾z測器光敏面上光照反應所產(chǎn)生的光電流與光強（即電場強度的平方）成正比，即

g為接收器的光電轉換常數(shù)。

2.光拍信號的檢測（續(xù)）光波的頻率：Hz光電接收管的光敏面響應頻率一般≤108Hz因此檢測器所產(chǎn)生的光電流都只能是在響應時間τ（

）

內(nèi)的平均值。2.光拍信號的檢測（續(xù)）結果中高頻項為零，只留下常數(shù)項和緩變項，緩變項即是光拍頻波信號，是與拍頻

相應的角頻率，

為初位相。

可見光檢測器輸出的光電流包含有直流和光拍信號兩種成分。

濾去直流成分

，檢測器輸出頻率為拍頻

、初相位相位與空間位置有關的光拍信號。

光拍的空間分布示意圖Δλxi0gE2圖3.2.2光拍的空間分布3.光拍的獲得及光速c的測量⑴

光拍的獲得⑵

光速c的測量

⑴光拍的獲得光拍頻波產(chǎn)生的條件是二光束具有一定的頻率差（為產(chǎn)生光拍頻波，要求相疊加的兩光波具有一定的頻差）。使光束產(chǎn)生固定頻移的方法很多，利用聲波與光波相互作用發(fā)生聲光效應是一種最常用的方法。介質(zhì)中的超聲波能使入射的光束發(fā)生衍射，這就是所謂的聲光效應。出射光發(fā)生衍射，改變了入射光束的傳播方向，衍射光的頻率也產(chǎn)生了與超聲波頻率有關的頻率移動，可達到獲得確定頻率差的二光束的目的。聲光衍射分為拉曼—奈斯衍射和布拉格衍射兩種。本實驗是用超聲波在聲光介質(zhì)與He—Ne激光束產(chǎn)生聲光效應來實現(xiàn)的。

產(chǎn)生頻移的方法a：行波法在聲光介質(zhì)內(nèi)與聲源（壓電換能器）相對的端面上敷以吸聲材料，防止聲反射，以保證只有聲行波通過介質(zhì)，如圖1.5所示。超聲波在介質(zhì)中傳播，引起折射率的周期性變化，使介質(zhì)成為一個位相光柵，激光束通過介質(zhì)時發(fā)生衍射。聲、光相互作用的結果，激光束產(chǎn)生對稱多級衍射。

行波法示意圖圖3.2.5行波法產(chǎn)生頻移的方法b：駐波法用聲波的反射，前進波與反射波在介質(zhì)中形成駐波超聲場，此時沿超聲傳播方向，介質(zhì)的厚度恰為超聲半波長的整數(shù)倍，這樣的介質(zhì)也是一個超聲位相光柵，它使激光束產(chǎn)生多級對稱衍射，衍射效率比行波法要高。

駐波法示意圖圖3.2.6駐波法⑴光拍的獲得比較行波法和駐波法兩種方法，駐波法明顯優(yōu)于行波法，本實驗即采用駐波法。駐波法衍射效率高，并且不需要特殊的光路使兩級衍射光沿同向傳播，在同一級衍射光中即可獲得拍頻波。

⑵光速c的測量實驗通過實驗裝置獲得兩束光拍信號，在示波器上對兩光拍信號的相位進行比較，測出兩光拍信號的光程差及相應光拍信號的頻率，從而間接測出光速值。⑵光速c的測量當二光拍信號的相位差為2π時，即光程差為光拍波的波長

時，示波器熒光屏上的二光束的波形就會完全重合。由公式

便可測得光速值c。式中L為光程差，F(xiàn)為功率信號發(fā)生器的振蕩頻率。若兩光拍信號的相位差小于2π時，

只要測出X，x，L和F即可計算出光速c的值。

實驗儀器CG—Ⅲ型光速測定儀ST—16示波器E4341型數(shù)字頻率計。

CG—Ⅲ型光速測定儀原理示意圖CG——Ⅲ型光速測定儀結構構成㈠

發(fā)射部分：聲光移頻器、高頻信號源。㈡

光路：光欄、全反鏡、半反鏡（10）、反光鏡、正交反射鏡組、斬光器、導軌、箱體。㈢

接收部分：光電接收盒、分頻器。㈣

電源：氦氖激光器電源15V直流穩(wěn)壓源

CG——Ⅲ型光速測定儀調(diào)節(jié)（1）⑴

檢查確認實驗線路的連接。⑵

使示波器處于外觸發(fā)工作狀態(tài)，Y軸衰減和掃描速度按輸入信號適當選擇。注意必須使示波器處于觸發(fā)工作狀態(tài)（無外觸發(fā)信號掃描），否則不能準確比較光拍信號的位相差。⑶

接通電源開關。⑷

調(diào)節(jié)電位器，使表頭指針指示在5mA左右，待激光器輸出穩(wěn)定后進行實驗（15分鐘后激光器輸出趨于穩(wěn)定）。⑸接通穩(wěn)壓電源開關。指示燈亮，15V電源工作正常。⑹使激光束水平通過通光孔與聲光介質(zhì)中的駐聲場充分互相作用（已調(diào)好不用再調(diào)），調(diào)節(jié)頻率微調(diào)旋鈕，使產(chǎn)生二級以上最強衍射光斑。⑺

光欄高度與光路反射鏡中心等高，使+1或-1級衍射光斑通過光欄入射到相鄰反射鏡的中心（已調(diào)好不用再調(diào)）。⑻

用斬光器擋住遠程光，調(diào)節(jié)全反射鏡和半反鏡，使近程光沿光電二極管前透鏡的光軸入射到光電二極管的光敏面上，打開光電接收器盒上的窗口可觀察激光是否進入光敏面，這時，示波器上應有與近程光束相應的經(jīng)分頻的光拍波形出現(xiàn)。CG——Ⅲ型光速測定儀調(diào)節(jié)（2）⑼

用斬光器擋住近程光，調(diào)節(jié)半反鏡、全反鏡和正交反射鏡組，經(jīng)半反射鏡與近程光同路入射到光電二極管的光敏面上，這時，示波器屏上應有與遠程光光束相應的經(jīng)分頻的光拍波形出現(xiàn)，8、9兩步應反復調(diào)節(jié)，直到達到要求為止。⑽

由頻率計測量信號源的工作頻率。⑾

示波器上波形振幅可以通過調(diào)節(jié)光電二極管（光敏面）的方位來改變，以達到最大振幅。⑿

接通斬光器的電機開關（在±15V穩(wěn)壓電源上），調(diào)節(jié)微調(diào)旋鈕使斬波頻率約30赫茲左右，則借助示波管的余輝可在屏上同時顯示出近程光、遠程光和零信號的波形。⒀

手搖移動導軌上的裝有正交反射鏡的滑塊，改變遠近光的程差，可使相應二光拍信號同相（位相差為2π）。⒁

測量光程差ΔL，拍頻Δf=2F，其中F為功率信號源的工作頻率。⒂

根據(jù)公式C=2πfΔL/ΔΦ，計算光速C。實驗內(nèi)容1.測量功率信號發(fā)生器的振蕩頻率F。按圖1.8連接所有儀器，開啟He—Ne激光電源開關，調(diào)節(jié)工作電流使激光輸出穩(wěn)定。打開超高頻功率信號發(fā)生器開關，預熱一定時間后，調(diào)節(jié)輸出電流和輸出工作頻率至聲光器件的工作頻率，使衍射光點出現(xiàn)。仔細調(diào)節(jié)頻率，使衍射光最強。用數(shù)字頻率計測出此時功率信號發(fā)生器的振蕩頻率F。

實驗內(nèi)容2.調(diào)節(jié)滑動平板使二光拍頻波波形完全重合，測出光在空氣中的速度。

調(diào)節(jié)小孔光闌位置，使激光的+1級或-1級衍射光通過。將斬光器置于適當位置，調(diào)節(jié)①路和②路光束光路中的各全反射鏡、分束鏡，使二光束在同一水平面內(nèi)沿主軸從各鏡中心反射、傳播，且交替入射光電倍增管。

實驗內(nèi)容開啟示波器并按常規(guī)調(diào)好示波器。微調(diào)二光束使其入射于光電倍增管的光敏面上，同時在示波器的熒光屏上能分別看到幅度相對較大且清晰的正弦波形。先后打開實驗裝置的低壓和高壓（供光電倍增管工作用）開關。接通斬光器電源，斬光器開始旋轉,