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实验4-3 光速测量 南开大学基础物理实验教学中心 近代物理实验室; 光速是物理学中一个最基本的常数。在过去的各个时代，人类都动员了当时最先进的科学技术对它进行测量。迄今为止，已形成的较精确的测量方法有： ●微波谐振腔法 ●激光测距法 ●克尔盒调制光强法 ●微波干涉仪法 ●非线性激光光谱法 精密测量光速的办法是，人们通过对 He-Ne红外激光波长和频率的绝对测量的研究，用 值所测得到光速为其精度可达 ; 本实验采用第三种方法，即调制光强的方法。实验室有两套不同的光速测量仪器，一套采用声光调制器调制光强，即用外调制方式；另一套从德国PHYWE公司引进，采用内调制的方式调制光强。 在本实验中，搞清楚调制的概念十分重要，这关系到对实验原理的理解。因此实验也分为两部分内容：调制器实验；光速测量实验。 一、声光调制器实验 声波由材料的密度，或是应变的正弦式扰动所组成，它以声速传播。介质中传播的超声波造成介质的局部压缩和伸长，这种弹性应变使介质的折射率按声波的时间和空间周期性地发生改变。当光通过时就会发生衍射、散射现象。这种光被声作用的现象称声光效应。根据声光作用长度的大小及超声频率的高低，利用光和声的波粒二象性，可以推知声波对光产生的衍射可分为Raman-Nath衍射和Bragg衍射。本实验采用Raman-Nath驻波衍射。;  本实验中的“入射光”为激光，我们可视入射光是等光强的，因此可表示为：;问题： 1、入射光通过声光调制器，为什么会产生衍射？ 2、各衍射光呈现怎样的波形？ 3、如果取出其中某一级衍射光，经光电转换后送入示波器观测，应该看到怎样的波形？这一信号波形的频率有多高？ 4、试设计观测声光调制器基本物理现象的实验方案。;根据声子与光子作用原理，导出衍射光波为 其中 为Bessel函数， 正比于声强 ，即正比于驱动换能器的电信号强度。对应衍射光强为 ;式中A为比例常数，在小信号近似下;这一点还可以从图4-3-3清楚地看出 ;光强随时间的变化，即光强被调制的情形可通过如下实验观察：;以下为在示波器中所观察到的实际波形：;二、光速测量原理（第一套仪器的实验方法） 本实验在D.N.Page和C.D.Geiker所设计的光速测量实验装置的基础上作了较大的改进。原来的实验装置是用一个21.3MHz的信号加在Pockels盒上调制一束激光，然后用一台干涉仪测两束光干涉强度沿导轨的分布，并由相邻两节点求波长的方法测出光速。本实验把光强测量改变为相位测量，由不等权测量变为等权测量，既提高了仪器的灵敏度又提高了测量结果的置信度。;; 将频率为10MHz的晶体振荡器信号加到声光调制器上，这样，通过调制器的He-Ne激光束被调制成频率为20MHz的光强调制波。该调制光被置于导轨上的角锥按原路反射回来，进入光电倍增管进行外差式检测。将频率为19.704MHz的本振信号直接加在光电倍增管上，与入射的20MHz光强调制波在光阴极上产生的电信号进行混频，于是得到频率为296KHz的光差频信号，该信号在光电倍增管内经各打拿极多次倍增放大后送至示波器的Y轴。 ; 为了测量光信号在传播时间内产生的相移，我们把未经移相的频率为10MHz的晶振信号直接与19.704MHz信号混频,经过选频放大器,取出与同频的296KHz参考信号，调节电感移相器移相，使之与同相，然后送至示波器的X轴进行鉴别，当示波器显示的李萨如图形为同相直线时，即可由移相器读出此时的值。移动导轨上的角锥，匀间隔地测出沿导轨各点坐标X所对应的值，以确定X与的线性关系，最后求出光速。;在外差探测中，被声驻波调制的光场可以近似写成本振信号加在光阴极上产生的信号场可以写成所以在光阴极上的总场为由此产生的混频电流为;上式中 为声光调制器调制角频率， 为调制波数， 为本振信号角频率， 为光场相位， 为本振信号相位。将该光电流信号通过一个具有中心频率为 的选频网络，则可得到光外差信号：式中 为光外差信号振幅和相位。电差频信号为：式中 为电差频信号振幅与相位。;将 与