光速的测量

实验1-8光速的测量

发布时间：2008-07-09

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光速测量实验已经历了300多年的历史。从1676年丹麦天文学家罗迈首次提出有效的测量光速的方法以来，许多科学家采用不同手段对光速进行了测量：包括荷兰物理学家惠更斯、英国天文学家布拉德雷等；法国人菲索采用旋转齿轮法，法国物理学家傅科则利用旋转镜法测空气中的光速；1874年考尔纽也对光速进行了测量。最有名的是迈克尔逊，他以光速测量为终生目标，自己设计了旋转镜和干涉仪，用来测量光速和波长、折射率和微小长度量。1879年，他测得光速为299910±5Km/s;1882年测得光速299853±6Km/s,这个结果被公认为国际标准并沿用了40年。他因此在1907年获得诺贝尔物理学奖。但人类对光速的测量并未完结，1928年，卡洛拉斯和米太斯塔德首次提出用可尔盒法测定光速，直到1951年贝奇斯传德用这种方法测出光速为299793Km/s.由于光波是电磁波，所以艾森提出了用空腔共振法来测量光速。其原理是：微波通过空腔时，当它的频率为某一值时发生共振。根据空腔的长度可以求出共振腔的波长，再将共振腔的波长换算成光在真空中的波长，由波长和频率可计算出光速。

当代计算出的最精确的光速都是通过波长和频率求得的。1958年，弗鲁姆求出光速的精确值：299792.5±0。1Km/s.1972年，埃文森测得了目前真空中光速的最佳数值：299792457.4±0.1m/s.

光速的测量在光学的研究历程中有着重要的意义.光速测量方法和精确度的每一点提高都反映和促进了相应时期物理学的发展.尤其在微粒说与波动说的争论中,光速的测定曾给这一场著名的科学争论提供了非常重要的依据.

一.实验目的

1．根据波的基本概念，设计光波参数测量的方法。

2．熟悉两种光速测量的实验方法：声光调制法测定光速和利用周期性光信号测定光速。

二.实验原理

方法（一）光拍频法(声光调制即光拍法测定光速)

(一)光拍的产生和传播

在介质中传播超声波时，由于弹性应变导致介质折射率或介电常数的变化。此时，当光通过该介质时会发生衍射现象——声光效应。本实验采用声光调制器将单色激光调制后产生具有一定频差又重叠在一起的两光束，从而方便地获得光拍频(声光移频的详细原理请看本实验的附录)。

根据振动叠加原理，频差较小、速度相同的两同向共线传播的简谐波相叠加即形成拍。拍频波的频率(即拍频)是相叠加的二简谐波的频差。

考虑振幅相同为E0、频率分别为为和（频差较小）的两列沿轴方向传播的平面光波：

式中，为波数，和分别为两列波在坐标原点的初位相。若这两列光波的偏振方向相同，则叠加后形成

=

（1－8－1）

上式就是沿轴方向的拍频波，其圆频率为，振幅为。因为振幅以频率

周期性变化，所以被称为拍频波，称为拍频。图（1－8－1a）所示为拍频波场在某一时刻t的空间分布，振幅的空间分布周期就是拍频

波长，以表示。因为拍频波的频率较光频率要小得多，所以我们可以用光电检测器检测。

图（1－8－1a）拍频波场在某一时刻t的空间分布

用光电探测器接受光的拍频波，由于光频高达Hz，光振动的周期约为秒，到目前为止，即使是最好的光电探测器，其

响应时间也只能达到秒，它远大于光波的周期。因此，任何探测器所产生的光电流都只能是在响应时间内的时间平均值

（1－8－2）

式中为探测器的光电转换常数。在同一时刻，光电流的空间分布如图（1－8－1b）所示。

图（1－8－1b）光电流的空间分布

式中△ω=ω1－ω2，△ϕ=ϕ1－ϕ2，将直流成分滤掉，即得光拍信号。而光拍信号的位相又与空间位置χ有关，即处在不同位置的探测器

所输出的光拍信号具有不同的位相。设空间某两点之间的光程差，该两点的光拍信号位相差为，根据（1－8－2）式应有

（1－8－3）

如果将光频波分为两路，使其通过不同的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与两路光的光

程差之间的关系仍由上式确定。当时，，恰为光拍波长，此时上式简化为

C=·(1－8－4)

可见，根据=C/只要找出两束拍频光波的相位相同点的位置，测出两光路的光程差，使用频率计测出加载到声光移频器上的频率F，既可得出=2F，

由此可求出光速C=·=·2F

(二)相拍二光波的获得。

为产生光拍频波，要求相叠加的两光波具有一定的频差，这可通过超声与光波的相互作用来实现。具体方法有两种，一种是行波法，如图（1－8－2a）所示，在声光介质与声源（压电换能器）相对的端面敷以吸声材料，防止声反射，以保证只有声行波通过介质。超声在介

质中传播，引起折射率的周期性变化，使介质成为一个位相光栅，激光束通过介质时要发生衍射。衍射光的圆频率与超声波的圆频率有关，

第级衍射光的圆频率，其中是入射光的圆频率，为超声波的圆频率，为衍射级，利用适当的光路使零级与+1级衍射光汇合起来，沿同一条路经传播，即可产生频差为的光拍频波。

图1－8－2a行波法获得相拍二光波图1－8－2b驻波法获得相拍二光波

另一种是驻波法，如图（1－8－2b）所示，前进波与反射波在介质中形成驻波超声场，此时沿超声传播方向，介质的厚度恰为超声半

波长的整数倍，这样的介质也是一个超声位相光栅，激光束通过时也要发生衍射，且衍射光效率比行波法要高。第级衍射光的圆频率

式中可见，在同一级衍射光内就含有许多不同频率的光波。因此，用同一级衍射光即可获得拍频波。例如，选

取第一级，由的两种频率成分叠加，可得拍频为2的拍频波。

两种方法比较，显然驻波法有利，我们的实验中采用产生驻波的声光移频器。

（三）实验仪器（介绍两种）

1．CG—Ⅱ型（或CG—Ⅲ型）光速测定仪、超高频功率信号源、12伏直流稳压电源、SBM—14型示波器，E324型数字频率计。

2．CG—Ⅲ型光速测定仪，只需配备ST—16型示波器和E324型数字频率计。

（1）用CG—Ⅱ型光速测定仪时，实验装置如图（1－8－3）所示。超高频功率信号源产生的频率为

F的信号输入到声光频移器，在声光介质中产生驻波超声场。6328的He—Ne激光通过介质后发生衍射，

第1级（或零级）衍射光中含有拍频为的成分。