相位法光速測(cè)量

1、僅供個(gè)人參考不得用于商業(yè)用途相位法光速測(cè)量實(shí)驗(yàn)本實(shí)驗(yàn)采用內(nèi)調(diào)制被測(cè)信號(hào)的光強(qiáng)，測(cè)量光強(qiáng)調(diào)制波傳播距離變 化所引起的相應(yīng)相位變化，最終測(cè)定光速，并可以測(cè)量有機(jī)玻璃、人 造水晶、無(wú)水乙醇等介質(zhì)的折射率。一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、了解相位法測(cè)量光速的頻率和波長(zhǎng)，從而確定光速的實(shí)驗(yàn)原 理。2、學(xué)會(huì)用相位法測(cè)量光速以及介質(zhì)折射率。For personal use only in study and research; not for commercial use實(shí)驗(yàn)儀器實(shí)驗(yàn)裝置：導(dǎo)軌(長(zhǎng)1m，包含半導(dǎo)體激光器、調(diào)制及接收裝置)、90反射鏡、介質(zhì)測(cè)量裝置、f50透鏡數(shù)字相位計(jì)、示波器For personal use

2、 only in study and research; not for commercial use三、實(shí)驗(yàn)原理采用頻率為f的正弦型調(diào)制波，調(diào)制波在傳播過(guò)程中其位相是以2-為周期變化的。表達(dá)式為：1=101+mcos2f( t-x/t )(1)For personal use only in study and research; not for commercial use式中m為調(diào)制度，cos2二f （t-x/t ）表示光在測(cè)線(xiàn)上轉(zhuǎn)播的過(guò)程中， 其強(qiáng)度的變化猶如一個(gè)頻率為f的正弦波以光速c沿x方向轉(zhuǎn)播。設(shè) 測(cè)線(xiàn)上A和B兩點(diǎn)的位置坐標(biāo)分別為Xi和X2，當(dāng)這兩點(diǎn)之間的距離 為調(diào)制波波長(zhǎng)，的整

3、數(shù)倍時(shí)，該兩點(diǎn)間的相位差為：= 2 （x2x1）/ =2n二（2）式中n為整數(shù)。反過(guò)來(lái)，如果我們能在光的傳播路徑中找到調(diào)制度的 等相位點(diǎn)，并準(zhǔn)確測(cè)量它們之間的距離，那么這距離一定是波長(zhǎng)的整 數(shù)倍。設(shè)由A點(diǎn)出發(fā)的調(diào)制波，經(jīng)時(shí)間t后轉(zhuǎn)播到A 點(diǎn)，AA 之間的距 離為2B則A 點(diǎn)相對(duì)于A點(diǎn)的相移為二wt=2二ft,如圖1（a）所示。 然而我們不可能用一臺(tái)測(cè)相系統(tǒng)對(duì)AA 間的這個(gè)相移量進(jìn)行直接測(cè)量。解決這個(gè)問(wèn)題的較好方法是在 AA 的中間B設(shè)置一個(gè)反射器，由 A點(diǎn)發(fā)出的調(diào)制波經(jīng)反射器反射返回A點(diǎn)，如圖1 （b）所示，光線(xiàn)由 A > B > A所走過(guò)的光程為2D,而且在A點(diǎn)反射波的位相落后=

4、wt。 如果以入射波作為參考信號(hào)（或作為基準(zhǔn)信號(hào)），將它與反射波（以 下稱(chēng)為被測(cè)信號(hào)）分別輸入到相位計(jì)的兩個(gè)輸入端，由相位計(jì)讀出基 準(zhǔn)信號(hào)和被測(cè)信號(hào)之間的相位差。本實(shí)驗(yàn)正是基于上述原理，實(shí)驗(yàn)原理圖如圖2所示，激光器將晶 體振蕩器G產(chǎn)生的頻率100MHZ勺晶振信號(hào)對(duì)光強(qiáng)進(jìn)行調(diào)制形成光電 調(diào)制波，該光信號(hào)經(jīng)90反射鏡返回，經(jīng)一透鏡會(huì)聚到光電二極管 PIN, PIN將收到的光調(diào)制信號(hào)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，輸出與 LED同頻的信號(hào)經(jīng)放 大器放大后送入混頻器2,與加在該混頻器上的本機(jī)振蕩器 G1產(chǎn)生的 100.300MHz的晶振信號(hào)混頻，得到差頻為 300KHZ的信號(hào)，該信號(hào)通 過(guò)移相器門(mén)送入示波器丫軸。與此同

5、時(shí)，G產(chǎn)生的100MHZ勺晶振信 號(hào)送入混頻器1,與加在該混頻器上的由 G產(chǎn)生的100.300MHz的晶 振信號(hào)進(jìn)行混頻，產(chǎn)生300KHZ的差頻信號(hào)送入示波器的X軸。這一 路信號(hào)是沒(méi)有經(jīng)過(guò)移相的，可以作為參考信號(hào)。這樣，加在示波器上 的兩路信號(hào)頻率相同，但相位不同，在實(shí)際測(cè)量中就可以用精密數(shù)字 相位計(jì)直接測(cè)量處于不同位置時(shí)對(duì)應(yīng)的相位值，由相關(guān)的公式推導(dǎo)， 從而求出空氣中和介質(zhì)中的光速以及介質(zhì)的折射率。圖2光速測(cè)量原理框圖四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、空氣中的光速測(cè)量(1)采用示波器測(cè)量光速先簡(jiǎn)單介紹示波器的X-Y應(yīng)用功能： 將探頭菜單衰減系數(shù)設(shè)定為10X,并將探頭上的開(kāi)關(guān)設(shè)定為10X; 將示波器與高頻發(fā)生電

6、箱相連接； 按下AUTO按鈕； 調(diào)整垂直SCALE旋鈕使兩路信號(hào)顯示的幅值大約相等； 按下水平控制區(qū)域的MENU菜單按鈕以調(diào)出水平控制菜單； 按下時(shí)基菜單按鈕以選擇X-Y； 調(diào)整垂直SCALE、垂直P(pán)OSITION和水平SCALE使波形達(dá)到最佳效果。測(cè)量開(kāi)始時(shí)，將反射鏡置于導(dǎo)軌靠近高頻發(fā)射裝置處， 示波器接收到信號(hào)后，沿導(dǎo)軌前后移動(dòng)反射鏡，使示波器上的李薩如圖形成一條傾斜的直線(xiàn)，此時(shí)兩路信號(hào)的相位差為180或者0。接著在導(dǎo)軌上 緩慢移動(dòng)反射鏡的位置，直到李薩如圖形成與第一次測(cè)量正交的一傾 斜直線(xiàn)，此時(shí)兩路信號(hào)的相位差為0：或者180，反射鏡移動(dòng)的距離為 厶x，則光程差為2 x。實(shí)驗(yàn)中光強(qiáng)調(diào)制波

7、的頻率f知道，光程差由上 述方法測(cè)出，則光速為：c = 2 x/ （1/ 2 f） = 4 f x（ 3）注意：調(diào)節(jié)光路似的移動(dòng)反射鏡的時(shí)候，反射光斑必須時(shí)刻處于接收區(qū)內(nèi)，否則會(huì)影響信號(hào)接收。（2）采用數(shù)字相位計(jì)測(cè)量光速將X、Y兩路的信號(hào)送入數(shù)字相位計(jì)。 每次測(cè)量可以直接獨(dú)處它們的相位差值，即小心移動(dòng)反射鏡，每次停止時(shí)讀一個(gè)相位差值，注意在移動(dòng)中保證激光光斑始終在接受區(qū)內(nèi)。由于相位和距離X具有線(xiàn)性關(guān)系：1 = mx x0（ 4）實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，將反射鏡置于導(dǎo)軌末端任意處，每隔0.10米測(cè)量一組對(duì)應(yīng)的（x“）值，共測(cè)量若干組數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)處理中，用最小二 乘法進(jìn)行線(xiàn)性擬合，求出直線(xiàn)的斜率 m,即可求出

8、光速：c=（2f/m） 360（5）注意：由于相位計(jì)本身的讀數(shù)誤差，在移動(dòng)位置超過(guò)標(biāo)尺50cm處的時(shí)候，每?jī)蓚€(gè)位置的相位讀數(shù)誤差建議減去2 - 3 （由于此時(shí)接收信號(hào)幅度降低）。2、介質(zhì)折射率的測(cè)量采用數(shù)字相位計(jì)測(cè)量介質(zhì)折射率。圖3利用數(shù)字相位計(jì)測(cè)量介質(zhì)折射率如圖3所示，實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，在測(cè)量光路中加入待測(cè)樣品 B,數(shù)字 相位計(jì)接收到信號(hào)后，記下相應(yīng)的相位差“；接著移去待測(cè)樣品，數(shù) 字相位計(jì)將記下取走樣品B后的相位差門(mén)2，則有：（nf - n°）LF 二（i -2） / 360（6）式中no =1.0為空氣折射率，為光調(diào)制波的波長(zhǎng)。所以：n （1 一 ： 2）/120Lf 1（7）五、注

9、意事項(xiàng)1、儀器的調(diào)整如果儀器放在光照較強(qiáng)的環(huán)境中， 在調(diào)整儀器時(shí)，應(yīng)采取適當(dāng)措 施，減少儀器收到外界光線(xiàn)的干擾。將角反射鏡置于導(dǎo)軌最末端，透鏡從導(dǎo)軌上取下，調(diào)節(jié) 90反射 鏡的兩個(gè)反射鏡后四個(gè)旋鈕，使光斑照射在PIN接收器的中央，沿導(dǎo) 軌前后移動(dòng)90反射鏡，同時(shí)調(diào)節(jié)反射鏡的傾斜，使光斑在 90反射鏡 移動(dòng)過(guò)程中不偏離PIN接收器中心太多。然后將透鏡加入光路，調(diào)節(jié) 透鏡位置使光斑聚集在 PIN接收器表面，然后上下左右調(diào)節(jié)透鏡位 置，使光斑位于接收器的中心，這樣光路就調(diào)節(jié)好了。2、在使用器件的過(guò)程中，應(yīng)注意盡量避免直接用手指、潮濕的 物體或者其他尖銳的硬物接觸鏡片表面， 以免損壞鏡片的光潔度， 影

10、 響器件的使用效果。 器件使用完畢后，應(yīng)放入原包裝盒， 存放在干燥， 并能夠隔絕灰塵的環(huán)境中， 存放前， 請(qǐng)先對(duì)器件前后光學(xué)表面進(jìn)行一 定的清潔， 特別是要將表面的油污手印清理干凈， 因?yàn)樗鼈儠?huì)對(duì)光學(xué) 元件造成嚴(yán)重的損害。3、實(shí)驗(yàn)中應(yīng)避免用手直接接觸鏡片，造成不必要的污染，如發(fā) 現(xiàn)鏡面較臟，應(yīng)用混合液（酒精和乙醚 4:1）拭擦。4、激光管出光時(shí)，要避免眼睛直視激光光束。僅供個(gè)人用于學(xué)習(xí)、研究；不得用于商業(yè)用途For personal use only in study and research; not for commercial use.Nur f u r depers?nlichen f

11、 u r Studien, Forschung, zu kommerziellen Zwecken verwendet werden.Pour l ' e tude et la recherche uniquementa des fins personnelles; pasa des fins commerciales.to員bko gA.nrogeHKO TOpMenob3ymoiflCH6yHeHuac egoB u HHuefigoHMucno 員 B30BaTbCEb KOMMepqeckuxqe 員 ex.For personal use only in study and research; not for commercial use以下無(wú)正文僅供個(gè)人用于學(xué)習(xí)、研究；不得用于商業(yè)用途For personal use only in study and research; not for commercial use.Nur f u r den pers?nlichen f u r Studien, Forschung, zu kommerziellen Zwecken verwendet werden.Pour l ' e tud