物理实验报告_声光效应与光拍法测光的速度

声光效应与光拍法测光的速度【摘要】：本实验利用扫描干涉仪测量激光的纵模间距及由声光效应产生的0级衍射劈裂；观察超声波的功率、声光晶体的转角对衍射现象的影响；根据声光效应原理采用驻波法产生拍频波,通过光速测量仪可对光速进行测量。

通过本实验，了解光拍频波的概念、以及声光效应，掌握测量光速的技术。

实验中测得激光的两纵模间距为614.75MHz；在超声波的频率为75MHz下0级衍射劈裂为122.95MHz；光速的大小为c=2.794×108m/s。

关键词：声光效应、光拍频波、光速、驻波法、双光束相位比较法一、实验引言：光速是最基本的物理常数之一，光速的精确测定及其特性的研究与近代物理学和实验技术的许多重大问题关系密切。

光速已经直接用于距离测量，在国民经济建设和国防事业上大显身手，光的速度又与天文学密切相关，许多物理学中的基本常数都与光速有关。

从十七世纪伽利略第一次尝试测量光速以来，各个时期人们都采用最先进的技术来测量光速。

1849年法国物理学家斐索(A.Fizeau)成功地在地球范围内对光速进行了测量，他是第一个证明光速可以在实验中测得的人.1850年法国物理学家傅科(J.Foucault)用旋转镜法使光源的像产生位移测得光速 2.98×108m/s，使光学实验技术产生了重大突破。

此后，测量光速的方法经历了一系列重大改进,所有这些方法都获得了数值相近的光速值。

1960年激光出现以后英国国立物理实验室和美国国家标准局在10。

1973年6月，国际计量局1970年最先用激光测量了光速，其不确定度达9-米定义咨询委员会推荐了新的光速值为c=(299 792 458 1)m/s。

这是当前公认的最精确的光速值。

声光效应是指光通过某一受到超声波扰动的介质时发生衍射的现象，这种现象是光波与介质中声波相互作用的结果。

早在本世纪30年代就开始了声光衍射的实验研究。

60年代激光器的问世为声光现象的研究提供了理想的光源，促进了声光效应理论和应用研究的迅速发展。

声光效应为控制激光束的频率、方向和强度提供了一个有效的手段。

利用声光效应制成的声光器件，如声光调制器、声光偏转器、和可调谐滤光器等，在激光技术、光信号处理和集成光通讯技术等方面有着重要的应用。

二、实验原理：2.1光拍频波根据波的叠加原理,两束传播方向相同,偏振方向相同，频率相差很小的简谐波相叠加即形成拍。

对于振幅都为E 0,，圆频率分别为1ω和2ω,且沿相同方向(假设为沿x 方向)传播的两束单色光22210110x xE E ω(t-)φE E ω(t-)φc c=cos[+];=cos[+] （1） 叠加为12+E E E =12120=2cos[(t ]2c 2x E ωωϕϕ--⨯-)+()1212+cos[(t ]2c 2xωωϕϕ+-)+() （2）当12ωω>,且12ωωω∆=-较小时,合成光波是带有低频调制的高频波,振幅为121202cos[(t ]2c 2xE ωωϕϕ---)+(),角频率为122ωω+,由于振幅以频率122f ωωπ-∆=周期性地缓慢地变化,合成光拍频波如图1所示。

图一、光拍频波的形成 2.2拍频信号的检测在实验中我们用光电检测器接受光信号,光电检测器所产生的光电流与接受到的光强成正比：2g I E =，式中g 为光电转换系数,由于光频率极高(14010Hz f >)，而一般光电器件仅能对108以下的光强变化作出反应，因此实际得到的光电流I c 近似为响应时间τ内光电检测器接收到的光强的平均c 1=d I I t ττ⎰ 2t 12120t1=g{2cos[(t ]}d 2c 2xE t τωωϕϕτ+--⎰-)+()201212=2g {1cos[()](t )}cx E ωωϕϕ+---)+( （3） 式中,高频项平均后为零。

光电检测器输出的光电流包括直流和光拍频波两部分。

滤去直流部分，即得到频率为122f ωωπ-∆=,初相位为12)ϕϕ-(，相位和空间位置有关的简谐拍频信号。

由于某一时刻t ，置于不同空间位置的光电检测器将输出不同相位的光电流。

因此。

用比较相位的方法可以间接测定光速。

假设在测量线上有两点A 和B ，由(3)式可知，在某一时刻t ，当点A 与B 之间的距离等于光拍频波波长λ的整数倍时,该两点的相位差为A B12()2n , n=1,2,3cx x ωωπ--()=， (4)考虑到122f ωωπ-=∆,且相邻两个同相位点之间的距离A B x x -等于光拍频波的波长λ,即n=1时，有：A B cx x fλ-==∆ （5） 上式说明,只要我们在实验中测出f ∆和λ,就可间接确定光速c 。

2.3利用声光效应产生光拍频波声光效应就是研究光通过声波扰动的介质时发生散射或衍射的现象。

由于衍射光的频率产生了与超声波频率有关的频率移动，实现了使激光束频移的目的，因此在实验中可获得确定频率差的两束光，并形成光拍频波。

本实验采用驻波法，它是使声光介质的厚度为超声波半波长的整数倍，使超声波发生反射,在声光介质中形成驻波场,其结果使入射激光产生多级对称衍射。

第L 级衍射光的角频率为0(2)Lm L m ωω=++Ω （6）上式中，Ω为超声波角频率，,0,1,2,3,L m =±±±……三、实验内容：实验仪器：示波器、扫描干涉仪、数字频率计、光速测量仪、He-Ne 激光器实验步骤：1、测量声光效应产生的频移光拍频波要求相拍的两束光有确定的频率差。

故本实验通过声光效应使He－Ｎe激光器的632.8nm谱线产生固定频差。

先利用扫描干涉仪对激光器的纵模模式及裂距进行观察，测量0级、1级、2级衍射光的纵膜分裂间距，在测量过程中调节声光晶体的转角，超声波频率和强度，记录不同级次的衍射强度的变化，以及同级衍射中不同频率信号的强度变化。

2、双光束相位比较法测量光速将功率信号源输出角频率为Ω的正弦信号加在频移器的晶体压电换能器上，从而产生角频率为Ω的超声波。

实验中采用“双光束位相比较法”进行相位比较。

光拍频信号进入光电二极管后转化为光拍频电信号，经混频、选频放大，输出到示波器上进行相位比较。

实验中将激光分束为远程光和近程光，通过移动改变内、外侧滑块的位置，起到调节远程光与近程光光程差的作用。

当改变光程时，示波器远程光与近程光的波形会发生移动，通过改变远程光的光程,使其波形与近程光波形由一次重合平移到另一次重合，此时远程光光程的改变长度L即为拍频波长λ。

利用此方法可测得光速c=λf∆=2ΩL （7）四、实验结果极其分析：1、测量声光效应产生的频移图2激光的纵模通过扫描干涉仪，观察示波器激光的纵模的如图2，扫描干涉仪的自由光谱区为图中相同高度的两线之间的距离，激光的纵模间距为同一周期内的两线的间隔。

实验中扫描干涉仪的自由光谱区为1875MHz，测得实验数值如下所示：自由光谱区占3格，为1875MHz；激光纵模占1格，则其为614.75MHz；可得到实验中激光的两纵模间距为614.75MHz。

2、声光衍射效应2’在超声波的频率为75MHz下，观察到了由声光效应产生的衍射列阵，可清楚地观察到0、±1级、±2级衍射极大。

测量0级的纵模分裂间距，通过示波器可以观察到如图3所示，测得此时的裂距约为0.2格，即122.95MHz，代入（6）式得到超声波频率的实验值为61.48Hz，而实验中频率计的超声波读数为75.3MHz。

误差的主要来源为谱线的线宽度较大，在示波器读书的误差较大。

实验中通过改变超声波的功率，发现随着功率的增大，衍射现象愈加明显，可观察到0级衍射强度减弱，其它次级强度增大。

通过改变声光晶体的方向，发现各级次衍射的纵模与其劈裂的裂距大小不变，但纵模与其劈裂的光强度的相对大小发生变化。

3、双光束相位比较法测光速在移动2π重合时，远程光与近程光的坐标从（0，0）到（40.00，54.30）cm在移动π时，远程光与近程光坐标：测得在超声波频率为74.562MHz的情况下，远程光与近程光波形由一次重合平移到另一次重合，远程光光程的改变的平均长度L=187.36cm，由（7）式得c=2.794×108m/s，理论值为c=(299 792 458 1)m/s可见由此方法测量得到数值与理论值有较大偏差，这主要是由于光速测量仪的光路调节没有达到完全准直。

在移动滑块时，入射到接收器上的光束产生了虚假相移。

而由虚假相移造成的两束光的位相的改变远大于移动滑块时带来的读书误差。

此外光速受空气湿度、温度、及压强的影响（即受空气折射率的影响），因此可通过对实验环境参数的测量进一步修订实验数值。

五、实验结论和建议：本实验通过扫描干涉仪测量了激光的纵模间距为614，75MHz；在超声波的频率为75MHz 下由声光效应产生的0级衍射劈裂为122.95MHz；可观察到随着超声波功率的增大，可观察到0级衍射强度减弱，其它次级强度增大；改变声光晶体的方向，各级次衍射的纵模与其劈裂的裂距大小不变，但纵模与其劈裂的光强度的相对大小发生变化；观察声光衍射的劈裂状况；根据声光效应原理采用驻波法产生拍频波，通过光速测量仪可对光速进行测量，通过实验，提出通过避免长距离移动滑块的方法可以提高测量光速的准确度。

实验中测得光速的大小为c=2.794×108m/s。

六、参考文献：1、熊俊. 近代物理实验. 北京师范大学出版社20072、近代物理实验补充讲义北京师范大学物理实验教学中心 2009七、附录：原始实验数据一页。