近代物理学实验报告
—光拍频法测量光速
实验组员：付静静091204121
陈聪091204120 实验班级：电信科学091班
指导老师：李鸣
2011-12-15
一、实验目的
1、掌握光拍频法测量光速的原理和实验方法,并对声光效应有一定初步了解；
2、通过测量光拍的波长和频率来确定光速。

二、实验原理
根据振动叠加原理，频差较小，速度相同的两列同向传播的简谐波叠加若有振幅相同为E0，圆频率分别为E1和E2（频差较小）的两光束 ： 这两列光波的偏振方向相同，则叠加后的总场为： ,
上式是沿x 轴方向的前进波，其振幅为
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡++
⎪⎭⎫ ⎝⎛
-+⨯⎥⎦⎤⎢⎣
⎡-+⎪⎭⎫ ⎝⎛
--=+=22cos 22cos 22121212
1
021ϕϕϖϖϕϕϖϖc x t c x t E E E E
因为振幅以频率为
，周期性地变化，所以被称为
拍频波，称为拍频，如果将光拍频波分为两路，使其通过 同光程后入射同一光电探测器，则该探测器所输出的两个光拍信号的位相差
，
两路光的光程差，之间的关系仍由上式确定， 当
时，恰为光拍波长，则：
三、实验安装
1. 滤波放大器
由于He-Ne 激光器的噪声（噪声谱在25MHz 以下）和频移光束之
中频率成分很复杂，致使光拍信号被淹没在噪声中，无法观察。

采用声表面波滤波器有效地抑制噪声，获得纯净的中心角频率为2Ω的光拍信号。

滤波放大器方框图如图五所示。

⎥⎦
⎤
⎢⎣⎡-+⎪⎭⎫ ⎝⎛-∆22cos 2210ϕϕϖc x t E π
ϖ
4∆=∆f f ∆ϕ∆L ∆π
ϕ2=∆Λ=∆L
f c
图五 滤波放大器方框图
2. 实验装置
光拍频法测量光速实验装置如图六所示。

高频信号源产生角频率为Ω的超声波信号输入声光频移器，在声光介质中形成驻波声场，介质成为超声相位光栅，632.8nmHe-Ne 激光在通过介质时发生衍射。

任一级衍射光都可用来作本实验的工作拍频光束，一般用一级光，因为信号成分较强。

分近程和远程二路光到达光电检测器，不同光程的光拍频波具有不同的相位。

光程差为零，则相位差为零，即同相。

逐渐增加至相位差又为零时，则光程差恰为一个光拍波长，即L S
∆=∆λ。

又F
f
2=∆（F 是与Ω相应的频率），将f ∆、
S λ∆代入式(5)，则
L
F c ∆=2
(6)
注意光电检测和显示系统任一时刻都只检测和显示二光路之一
的光拍频波信号。

我们用一小电机驱动旋转式斩光器，它任何时刻只让一束光通过达到光电检测器，截断另一束。

斩光器的旋转，使两路光交替达到光电检测器并显示出波形。

利用示波管的余辉，示波器单通道上可“同时”看到两路光拍频波波形，以达到比较两路光拍频波相位的目的。

应当指出，为了正确比较相位，必须统一时基，示波器工作切不可用内触发同步，要用高频信号作为示波器外触发同步信号，否则将会引起较大测量误差。

四、实验仪器
CG-Ⅳ型光速测定仪，EE1641B1型函数信号发生器/计数器，YB4324型二踪示波器
五、实验内容
1. 仪器连接
光速测定仪高频信号源插孔连至函数信号发生器输入插孔，分频器Y、EXT插孔分别连至示波器Y、EXT插孔。

2. 仪器调整
接通仪器电源开关。

函数信号发生器扫描/计数按键选择EXT COUNT，WIDTH、 RATE 旋纽逆时针旋到底，其余任意。

示波器MODE选择CH2，SWEEP MODE选择AUTO，TRIGGER SOURCE 选择EXT，VOLTS/DIV和SEC/DIV根据输入信号适当选择，其余弹起。

调节激光电源电位器，使毫安表指示5mA左右，以最大激光光强输出为准，15分钟之后激光器输出趋于稳定。

接通±15V稳压源开关，调节激光束通过声光介质并与驻波声场充分互相作用（通过调节声光频移器底座螺丝完成），调节频率微调旋纽，使产生二级以上最强衍射光斑。

3. 光路调节
光栏高度与反射镜中心等高，使＋1级或－1级衍射光通过光栏入射到相邻反射镜中心。

用斩光器挡住远程光，调节相应全反镜和半反镜，使近程光沿光电二极管前透镜光轴入射到光电二极管光敏面上，打开光电检测器盒之上窗口可观察激光是否进入光敏面，此时，示波器上应有与近程光相应的经分频的光拍波形出现。

用斩光器挡住近程光，调节相应半反镜、全反镜和正交反射镜组，与近程光同路入射到光电二极管光敏面上，示波器上应有与远程光相应的经分频的光拍波形出现。

以上二步骤应反复调节，直至达到要求。

光电二极管光敏面的方位可通过调节光电检测器盒之上相应旋纽使示波器上显示最大振幅来确定。

4. 双光路相位比较
接通斩光器电机开关（在±15V稳压源上），调节微调旋纽使斩波频率约30Hz左右，则借助示波管的余辉可在示波器上同时显示近程光、远程光和零信号的波形。

打开相位调节开关，按下左右移动按键，移动导轨之上正交反射镜滑块，改变远、近程光的光程差，可使相应二光拍信号同相（相位
差为2π）。

如改变二光束的相位差（例相位差为π），则可用两片短路反射镜插入相应位置，则远程光的部分光程被短路。

重复上述调节，可使二光拍波形达到既定的相位差。

5. 测量与计算
测量光程差L ∆，高频信号源工作频率F ，根据L F c ∆=2计算光速。

重复测量三次取平均值，并求相对不确定度。

六、实验注意事项
1．声光频移器引线及冷却铜块不得拆卸。

2．切勿用手或其它污物接触光学表面。

3．切勿带电触摸激光管电极等高压部位。

七、实验数据处理及误差分析
(1)光程差的测量 单位：cm 远程
近程光:
1M M ＝23.75 cm
∴光程差x ∆＝1x M M -＝989.75-23.75=963.O0 (cm)
(2)光拍频 单位：MHz
(3) 光速C ＝x F ∆∆=2x f ∆⋅=82.8910(/)m s ⨯ 而公认值 '8310(/)c m s =⨯
' 3.67%c c E c
-∴=
=
(4)误差分析
A 、在测量光程差时，只用米尺测量，误差太大，应改用精确度较大的测量仪器。

B 、频率计的读数不稳定。

C 、注意对二束光相位的精确比较，如果实验中调试不当，可能会产生虚假的相移，结果影响实验的精度。

D 、空气中光速的准确值选取不当。

八、思考与讨论
1、“拍”是怎样形成的？它有什么特性？
解答：两列速度相同,振面和传播方向相同,频差又较小的简谐波迭加形成拍。

两列简谐波迭加后的E 是以角频率为
12
2
ωω+，振幅为12122cos 022x E t c ωωϕϕ--⎡⎤
⎛⎫-+ ⎪⎢⎥⎝⎭
⎣⎦的前进波。

其振幅是以角频率12
2ωωω-∆=随时间作
周期性的缓慢变化。

所以称E 为拍频波，其中
122
F
ωω
ωπ-∆==∆,F ∆称为拍频。

s λ∆是拍的波长。

2、声光调制器是如何形成驻波衍射光栅的？激光束通过它以后其衍射有什么特点？
解答：位相光栅使出射光发生衍射,结果光的传播方向,频率和强度分布都受到声频的调制而发生变化。

若激光束垂直入射这一位相光栅(经超声波作用的介质),出射L 级对称衍射光强的极大值满足关系式：0sin s L L λθλ=
第L 级衍射光的角频率为：
(),02l m s
L m ωωω=++
式中L 是衍射级L=0,±1,±2,……。

对于每一个L 值，m=0,±1,±2……即在同一衍射光束内就含有许多不同频率成分的光。