光速測定實驗指導(dǎo)書

1、1、LS-III型光速測定儀儀器的用途HLD-LS-III型光速測定儀由主機和示波器、高頻率計等部分組成。它能直接在示波器的熒光屏上顯示兩路光程不同的光“拍”頻波的波形和位相，從而達到測量光波在空氣中傳播速度的目的。儀器的結(jié)構(gòu)主機見結(jié)構(gòu)圖一、 信號處理部分：（1）聲光頻移器（2）高頻信號源（3）光電接收盒（4）分頻器二、 光路部件：光欄（3） 全反鏡（4、9、10）（1113）（1416） 半反鏡（7）半反鏡（條形）（5） 斬光器（6） 導(dǎo)軌（17） 箱體（18）三、 電源：1、氦氖激光器電源；2、±15V直流穩(wěn)壓源四、 光源：氦氖激光管儀器的工作原理第一節(jié) 電原理方框圖 D-02

2、D-01 D-03 D-04-1 至外觸發(fā)輸入 至Y輸入 （示波器） （用戶自備）光路系統(tǒng)光電接收器聲光頻移器氦氖激光器激光電源1/2分頻本振混頻器1混頻器2 D-04-2高頻率計（用戶自備）高頻信號源選頻放大器選頻放大器第二節(jié) 工作原理說明一、 發(fā)射部分：長250mm的氦氖激光管輸出波長為6328Å，功率大于1.5mw的激光束射入聲光頻移器中，同時功率信號源輸出的頻率為15MHz左右、功率1W左右的正弦信號加在頻移器的晶體換能器上，在聲光介質(zhì)中產(chǎn)生聲駐波，使介質(zhì)產(chǎn)生相應(yīng)的疏密變化，形成一位相光柵，則出射光具有2種以上的光頻，其產(chǎn)生的光“拍”信號為功率信號源頻率的倍頻，頻率信號源采用

3、考茲振蕩電路，經(jīng)預(yù)選放大，功放輸出。二、 光電接收和信號處理部分：由電路系統(tǒng)出射的拍頻光，經(jīng)光敏二極管接收轉(zhuǎn)化為頻率為光拍頻的高頻電信號，輸入至分頻器混頻電路。該信號與本振蕩信號混頻，選放后輸入至ST-16示波器的Y輸入端。與此同時，功率信號發(fā)生器的另一路輸出信號與1/2本振信號混頻，選放后作為ST-16示波器的外觸發(fā)信號。需要指出的是，如果使用示波器內(nèi)觸發(fā)，將不能正確顯示二路光波之間的位相差。三、 電源：激光電源采用倍壓整流電路，工作電壓部分采用大電解電容，使之有一定的電流輸出，觸發(fā)電壓采用小容量電容，利用其時間常數(shù)小的性質(zhì)，使該部分電路在有工作負載的情況下形同短路，結(jié)構(gòu)簡潔、有效。

4、7;15V電源采用三端固定集成穩(wěn)壓器件，負載300mA，供給光電接收器和信號處理部分以入功率信號源，±15V降壓調(diào)節(jié)處理后供給斬光器之小電機。指示燈電壓直接由穩(wěn)壓電源給出。儀器的使用 第一節(jié) 儀器的安裝一、 儀器應(yīng)放在穩(wěn)固、平整的實驗桌上，室內(nèi)光線不宜明亮。二、調(diào)節(jié)底腳螺栓（23），使儀器處于水平狀態(tài)。三、接線：（見結(jié)構(gòu)圖）1、 將電源線接入儀器電源插口。2、 用高頻電纜將儀器高頻信號源的輸出端（機內(nèi)）接入聲光頻移器（2）輸入Q9插口。3、 將高頻信號源的FREQUENCY DETERMINNATION輸出端口接至頻率計輸入端口。4、 將負15伏電源插頭接至光電接收盒的電源輸入端口，

5、分頻器D-04-2R 30MHz信號輸入（機內(nèi)）用高頻電纜接至光電接收電路D-04-1的輸出孔。5、 將儀器分頻器的“Y”端接至示波器的“Y”輸入通道；將分頻器的“EXT”輸出端接至示波器的外部觸發(fā)輸入端口。第二節(jié) 儀器的調(diào)試一、 激光器（D-02）1. 接通電源開關(guān)；2. 調(diào)節(jié)激光電源電位器，使表頭指示6mA左右， 15分鐘后激光器輸出趨于穩(wěn)定。二、 示波器：按示波器說明書使ST-16正常工作，Y軸衰減和掃描速度按輸入信號適當選擇，注意必須使用ST-16處于外觸發(fā)工作狀態(tài)，否則不能準確比較光拍信號的位相差。三、 直流穩(wěn)壓電源（D-05）接通穩(wěn)壓電源開關(guān)，兩個指示燈亮，則±15V電源

6、正常供電。四、聲光頻移器（D-01）使激光束水平通過D-01的通光孔與D-01的聲光介質(zhì)中的駐聲場充分互相作用（通過調(diào)節(jié)頻移器底座上的螺絲來完成），調(diào)節(jié)信號源頻率微調(diào)旋鈕，使產(chǎn)生最強衍射光斑。8 7 15 14 C D 16 17 22 19 11 9 4 3 2 1 20 高頻信號源 分頻器 ±15V穩(wěn)壓電源 激光電源 23 結(jié) 構(gòu) 圖五、實驗光路調(diào)節(jié)步驟（見上圖）1. 按（三、接線）連接好線路，打開±15V電源開關(guān)和激光器電源開關(guān)；調(diào)節(jié)激光器（1）的電位器使電流約6毫安，激光經(jīng)過聲光頻移器（2）到達光欄（3）；調(diào)節(jié)光欄（3）的高度與光路反射鏡中心等高，使+1級或-1級衍

7、射光通過光欄入射到相鄰反射鏡（4）的中心。2. （粗調(diào)）用斬光器（6）擋住遠程光，調(diào)節(jié)全反鏡（4），使近程光反射到半反鏡（7）的中心，再反射到光電接收盒（19）的光電二極管的光敏面上。再用斬光器（6）擋住近程光，調(diào)節(jié)半反鏡（5）、全反鏡（9-15）和正交反射鏡組（16），經(jīng)半反鏡（7）與近程光同路徑入射到光電二極管的光敏面上。這時調(diào)節(jié)示波器，顯示屏上應(yīng)有與遠程光光束相應(yīng)的經(jīng)分頻的光拍波形出現(xiàn)。3. 用斬光器（6）擋住遠程光，調(diào)節(jié)全反鏡（4）和半反鏡（7）使近程沿光電二極管前透鏡（18）的光軸入射到光電二極管的光敏面上，打開光電接收器盒（19）上的窗口（8）可觀察激光是否進入光敏面，這時，示波器

8、上應(yīng)有與近程光光束相應(yīng)經(jīng)過分頻的光拍波形出現(xiàn)。（為減小測量誤差和便于調(diào)節(jié)光路，光點應(yīng)打在全反鏡或半反鏡的中心）4. （細調(diào)）2、3二步驟應(yīng)反復(fù)調(diào)節(jié)，直至達到要求。這時，打開斬光器電機開關(guān)（在±15V穩(wěn)壓電源上），調(diào)節(jié)電機限流電位器使電機轉(zhuǎn)速適中（約30赫茲）；調(diào)節(jié)示波器，顯示屏上應(yīng)有與近、遠程光光束相應(yīng)的經(jīng)分頻的光拍波形出現(xiàn)；光敏二極管（即它的光敏面）的方位可通過調(diào)節(jié)裝置（20）和（21）使示波器屏上顯示最大振幅來確定。5. 關(guān)閉斬光器電機開關(guān)。六、 雙光路位相比較1、 檢查示波器是否工作在外觸發(fā)狀態(tài)。2、 打開斬光器（6）的電機開關(guān)，調(diào)節(jié)微調(diào)旋扭使斬波頻率約30赫左右，借助示波管的

9、余輝可在屏上同時顯示出近程光、遠程光和零信號的波形。3、 手搖移動導(dǎo)軌上的裝有正交反射鏡的滑塊，改變遠、近光的光程差，可使相應(yīng)二光拍信號同相（位相差為2），此時示波器上近程光和遠程光重合。4、 為改變二光束的相位差（如為、/4等），可用兩片短路反射鏡插入（C、D）的任意位置，則遠程光的部分光程被短路，重復(fù)上述調(diào)節(jié)，同時觀察示波器上的遠、近光的波形相位差，可使二光拍波形達到既定的相位差。七、 測量與計算1. 用尺子測量光程差L（實際遠程光的光程減去近程光的光程），拍頻f=2F，其中F為功率信號源的工作頻率（可從頻率計讀出）。2. 根據(jù)公式C=2·f·L/=4·F&#

10、183;L/計算光速C。八、關(guān)于確保實驗精度九、假相移的產(chǎn)生本儀器實驗精度除要求準確的頻率和光程差的測量以外，主要由位相比較決定，如果操作不當，將產(chǎn)生虛假的相移，影響既定實驗精度。產(chǎn)生假相移的主要因素，在于光電二極管光敏面上各點的靈敏度不同和電子渡越時間的不一致。如圖近光程光（如光L1）沿透鏡L光軸入射，會聚于P1點，遠程光（L2）離軸入射會聚于P2點，由于上述原因?qū)a(chǎn)生虛假相移，造成誤差。 光敏二極管 P1 P2 L L2 L1 光敏面十、假相移的防止可行的方法是使L1和L2均沿L光軸同軸入射。十一、檢驗L1、L2同軸的方法在滑塊前或近程光路上置一光欄片，用斬光器依次讓遠、近程光通過。觀察二

11、光束在光敏面上反射的光經(jīng)透鏡是否都成像在光軸上。第三節(jié) 注意事項一、 聲光頻移器引線及冷卻銅塊不得拆卸。二、 各單元電路的直流電源必須按規(guī)定極性通電，嚴禁反接。三、 切忌用手指或其它污穢、粗糙物接觸光學(xué)元器件的光學(xué)面。四、 切勿帶電觸摸激光電源和激光管電極等高壓部位，以保證儀器和人身安全。五、 儀器長期保存時，溫度應(yīng)在0+40之內(nèi)，相對溫度不大于80%，至少半個月應(yīng)通電運行一小時。六、 運輸儀器時，應(yīng)將儀器裝在防潮、防震的箱內(nèi)，自發(fā)貨之日起15個月內(nèi)，在合理運輸、保存、正確使用情況下，本廠保證儀器正常使用。2、光速的測定實驗引 言光波是電磁波，光速是最重要的物理常數(shù)之一。光速的準確測量有重要的

12、物理意義，也有重要的實用價值?；疚锢砹块L度的單位就是通過光速定義的。我們知道，光速是光傳播的距離，是光傳播s所需的時間。例如中，相當上式的s可以方便地測得，但光頻大約為1014Hz，我們沒有那樣的頻率計，同樣傳播距離所需的時間也沒有比較方便的測量方法。如果使變得很低，例如30MHz，那么波長約為10m。這種測量對我們說來是十分方便的。這種使光頻“變低”的方法就是所謂“光拍頻法”。頻率相近的兩束光同方向共線傳播，疊加成拍頻光波，其強度包絡(luò)的頻率（即光拍頻）即為兩束光的頻差，適當控制它們的頻差即可達到降低拍頻光波拍頻的目的。一、實驗?zāi)康模?）理解光拍頻的概念。（2）掌握光拍法測光速的技術(shù)。二、實

13、驗原理1、光拍的產(chǎn)生和傳播根據(jù)振動疊加原理，頻差較小，速度相同的兩個同向共線傳播的簡諧波相疊加形成“拍”。拍頻波的頻率（即拍頻）是相疊加二簡諧波的頻差?？紤]振頻分別為（頻差較?。┑墓馐楹喕懻?，我們假定它們具有相同的振幅）。它們疊加形成 （式一）角頻率為，振幅為的前進波。注意到的振幅以頻率周期地變化，所以我們稱它為拍頻波，如圖一所示。圖一 光拍頻的形成我們用光電檢測器接收這個拍頻波。因為光電檢測器地光敏面上光照反應(yīng)所產(chǎn)生的光電流系光強（即電場強度的平方）所引起，故輸出光電流為 （式二）g為接收器的光電轉(zhuǎn)換常數(shù)。把（式一）代入（式二）。同時注意，由于光頻甚高，光敏面來不及反映頻率如此之高的光

14、強變化，迄今僅能反映頻率109Hz左右的光強變化，并產(chǎn)生電流，光電檢測器對光的接收和轉(zhuǎn)換過程可視為將對時間的積分，并取對光檢測器的響應(yīng)時間(1/1/）的平均值。結(jié)果積分中高頻項為零，只留下常數(shù)項和差頻項。即 （式三）其中為初相，可見光檢測器輸出的光電流包含有直流和光拍頻交變信號兩種成分，濾去直流成分，即得頻率為拍頻，位相與光程有關(guān)得光拍頻電信號。圖二是光拍信號在某一時刻的空間分布，如果接收電路將直流成分濾掉，即得純粹的拍頻信號在空間的分布。這就是說，處在不同空間位置的光檢測器，在同一時刻有不同位相的光電流輸出。這就提示我們可以用比較相位的方法間接地決定光速。圖二 光拍的空間分布事實上，由（式三

15、）可知，光拍信號的同位相諸點有如下關(guān)系：或 （式四）為整數(shù)，兩相鄰兩同相點的距離，即相當于拍頻波的波長，測定了A和光拍頻，即可確定光速c。2、相拍二光束的獲得光拍頻波要求相拍二光束具有一定的頻差，使激光束產(chǎn)生固定頻移的辦法很多，用得最多的是聲光頻移法。利用聲光互相作用產(chǎn)生頻移的方法有二：一是行波法，在聲光介質(zhì)與聲源（壓電換能器）相對的端面上敷以吸聲材料，防止聲行波通過，如圖三所示?；ハ嘧饔玫慕Y(jié)果，激光束產(chǎn)生對稱多級敷衍。第級衍射光的角頻率為，其中為入射光的角頻率，為聲角頻率，衍射級，如其中1級衍射光頻為，衍射角為，和A為介質(zhì)中的光波長和聲波長。通過仔細的光路調(diào)節(jié)，我們可使1與0級兩束光束平行迭

16、加，產(chǎn)生頻差為的光拍頻波。圖三行波法 圖四駐波法另一種是駐波法，如圖四所示。利用聲波的反射，使介質(zhì)中存在駐波聲場（相應(yīng)于介質(zhì)傳聲的厚度為半聲波長的整數(shù)倍數(shù)的情況），它也產(chǎn)生級對稱衍射，而且衍射光比行波法時強得多（衍射效率高），第級的衍射光頻為可見駐波聲光器件的任一衍射光束內(nèi)含有多種頻率成分，這相當于許多束不同頻率的激光的疊加（強度各不相同）。因此不用調(diào)節(jié)光路就能獲得拍頻波。例如選取第一級，由m0和1的兩種頻率成分迭加得到拍頻為2的拍頻波。兩種方法比較，顯然駐波法有利，我們就作此選擇。三、實驗儀器1、濾波放大電路由于He-Ne激光器的噪聲（噪聲波譜在25MHz以下）和頻移光束中不需要的成分很多，致使信號被淹沒在噪聲之中，難以觀察。用聲表面波濾波器抑制噪聲，明顯地提高了信噪比，所有濾波放大電路地方框圖如圖五所示。圖五 濾波放大電路2、實驗安排圖六是用光拍頻法測量光速的實驗安排。從駐波聲光頻移器出射的任何一級衍射光，都可用來作本實驗的工作拍頻光束，一般用一級光，因為信號成分較強。分近程和遠程兩路光達到光電接收器，不同光程的拍頻光波具有不同的位相。光程差為零，則位相差為零，即同相。逐漸增加至位相差又為零時，則光程差恰為一個光拍頻波長。注意光電接收和顯示系統(tǒng)任一時刻都只接收和顯示二光路之一的拍頻波信號。我們用一小電機驅(qū)動旋轉(zhuǎn)式斬光器，它任何時刻只讓一束光通過并到達光電接收器，截