王樂吳震蘆立娟

(浙江海洋學院 浙江 舟山 316000)

1 引言

傳統(tǒng)的光拍法測光速，一般都是利用激光束通過聲光移頻器，獲得具有較小頻差的兩束光，它們疊加則得到光拍；利用半透鏡將這束光拍分成兩路，測量這兩路光拍到達同一空間位置的光程差和光拍的頻率(通常選擇相位差為2π時光程差等于光拍的波長)，從而測得光速.現(xiàn)用相位差為π時光程差等于光拍的半波長來測量，并進行結果比較，定量說明相位差為2π時光程差等于光拍的波長條件的優(yōu)越性.

2 儀器及原理

本實驗使用新型CG-V型光速測量儀，頻率計，卷尺，細繩，計算機等進行測量.

光速

其中s是光傳播的距離，Δt是光傳播s所需的時間.例如c=fλ，λ相當上式的s，但光頻f大約1014Hz，我們沒有那樣的頻率計.如果使f變得很低，如30 MHz，那么波長約為10 m,就可滿足實驗條件，進行測量了.這種使光頻“變低”的方法就是所謂“光拍頻法”.

2.1 光拍的形成及其特征

根據振動疊加原理，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.設有振幅同為E0,圓頻率分別為ω1和ω2(頻差Δω=ω1-ω2較小)的二光束E1=E0cos(ω1t-k1x+φ1)

E2=E0cos(ω2t-k2x+φ2)[1]

E=E1+E2=

2.2 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?因為光檢測器光敏面上光照反應所產生的光電流與光強(即電場強度的平方)成正比，即

i0=gE2[2]

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，Δω是與拍頻Δf相應的角頻率，Δφ=φ1-φ2為初相位[2]. 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Δf，初相位Δφ，相位與空間位置有關的光拍信號(圖1).

圖1 拍頻波場在某時刻t的空間分布[3]

2.3 光拍的獲得

為產生光拍頻波, 要求相疊加的兩光波具有一定的頻差.這可通過聲波與光波相互作用發(fā)生聲光效應實現(xiàn).介質中的超聲波能使介質內部產生應變引起介質折射率的周期性變化,使介質成為一個相位光柵.當入射光通過該介質時發(fā)生衍射,衍射光的頻率與聲頻有關，這就是所謂的聲光效應.本實驗是用超聲波在聲光介質與He-Ne激光束產生聲光效應來實現(xiàn)的.

可見,除不同衍射級的光波產生頻移外,在同一級衍射光內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的拍頻波.

本實驗采用駐波法.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.

ωL=ω0+LΩ ωL,m=ω0+(L+2m)Ω

2.4 光速c的測量

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.

3 數(shù)據及處理

實驗利用C語言編程計算機處理數(shù)據，數(shù)據及結果如表1所示.

表1 光速測量數(shù)據及結果

4 結果分析

(1)通過表1看出,相位差為2π比為π時要接近光速的公認值,相對不確定度較小.這是由于實驗過程中，前者在示波器里面的圖像能夠更精確地與實驗要求相重合.

(2)通過頻率F=50.040MHz和F=49.364MHz比較，前者更接近光速的公認值，驗證了儀器自身的運行原理中的頻率在F=50.040MHz附近時誤差較小.

5 調節(jié)技巧

實驗時，調節(jié)儀器是保證實驗成功的基本條件，但實際調節(jié)不太容易，筆者總結出以下幾點感悟.

(1)觀察遠程光的光拍信號波形是否與近程光的幅度相等.如不相等，可調節(jié)最后一個半反鏡的傾角，以改變遠程光進入接收器的光通量，使兩波形的幅度相等.

(2)在調節(jié)時，要求滑塊A，B在滑動時，光線應該固定在兩滑塊的中心某一位置，這就是要通過調節(jié)各透鏡來達到效果.調節(jié)時可以把兩滑塊放至平板最右端，然后調節(jié)透鏡使光線達到滑塊的中心位置，再緩慢向左移動滑塊，看光線是否移動，這樣調節(jié)相對要比把滑塊放在左端容易.

(3)調節(jié)各個透鏡的螺旋時，應緩慢.因為透鏡上的螺旋的細小變化對光路的影響都非常大.

(4)實驗要求內、外光線都要經過光電接收器通過中心小孔，內光路調節(jié)相對來說比較容易，而外光路則不宜調節(jié).若通過調節(jié)透鏡外光線仍無法完整地通過，可以適當調節(jié)滑塊的高度來達到要求.

6 注意事項

(1) 聲光頻移器引線及冷卻銅塊不得拆卸.

(2)切勿用手或其他污物接觸光學儀器表面.

(3)切勿帶電觸摸激光管電極等高壓部位.

7 結論

本實驗采用了相位差分別為2π和π時，光程差等于光拍波長的光拍法測光速，得出前者條件下誤差較?。煌瑫r，驗證了F=50.040MHz時誤差最小;最后，使用了C語言處理數(shù)據，也使數(shù)據更加精確.

參考文獻

1 高學顏,等.近代物理實驗.濟南：山東大學出版社，1989

2 曹爾,等.近代物理實驗.上海：華東師范大學出版社，1992

3 林木欣,等.近代物理實驗.北京：科學出版社，1999