光速测量实验讲义.docx

光拍法测量光速

前言

光在真空中的传播速度是一个重要的基本物理常数，许多重要的物理概念和物理量都与它有密切的关系。麦克斯韦的光的电磁理论中的常数c,一方面等于电荷的电磁单位与静电单位的比值,另一方面它又预示了电磁场的传播速度,即电磁波以光速传播,光是一种电磁波.此后首先被赫兹的实验所证实。历史上围绕运动介质对光的传播速度的影响问题，曾做过许多重要实验；同时在实验上和理论上作过各种探讨，最终导致了爱因斯坦相对论的建立。

ε μ光的速度与许多物理量有关，例如电磁学中的真空电容率与真空磁导率，里德伯常数R

ε μ

0 0

质子、中子、电子、μ子等基本粒子的质量等。因此光速值的精确测量将关系到许多物理量值精度

的提高，它是一项十分重要的课题。自17世纪伽利略第一次测定光速以来，在各个时期，人们都用当时最先进的技术和方法来测量光速。

1941年美国人安德森用电光调制法，即利用克尔盒作为一个光开关，调制光束，使光强产生

1.9×107赫的变化，测得光速值为2.99766×108m/s。此值的前四位与现在的公认值一致。

1966年卡洛路斯，赫姆伯格用声光频移法，产生光拍频波，测量光拍频波的波长和频率，测得光速c=(299,792.47±0.15)×103m/s。

1970年美国国家标准局和美国国立物理实验室最先用激光作了光速测定。根据波动基本公式c=λυ，之间测量光波波长与光波频率而求得c的数值。光的波长是用迈克耳孙干涉仪来直接测定;光波的频率是通过一系列混频、倍频、差频技术，利用较低频率的电磁波去测量较高频率，再以较高频率测量更高频率，最后达到测得光频的目的。因此，于1975年第十五届国际计量大会提出了真空中光速为：c=(299,792,458±1)m/s。

1983年国际计量局召开的第七次米定义咨询委员会和第八次单位咨询委员会决定，以光在真空

1

中 秒时间间隔内所传播的距离，作为长度单位米的定义。这样，光速c=(299,792,458m/s

299,792,458

就成了定义性常数，这个值被定义为精确值。

直到现在，不少科学发达的国家仍集中了一批优秀的科学家，在提高光速的精确度方面进行着工作。

本实验是用声光频移法获得光拍，通过测量光拍的波长和频率，来确定光速。通过实验，学习光拍法测光速的原理和实验方法，同时对声光效应有一初步的了解。

一、实验目的

掌握光拍频法测量光速的原理和实验方法,并对声光效应有一初步了解。

通过测量光拍的波长和频率来确定光速。

二、原理

?2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即形成拍。若有振幅相

?

2

同为E0、圆频率分别为?

1和?

2（频差????1

?较小）的二光束：

1E1011?Ecos(?t?kx??)

1

E

1

0

1

1

2 0 2 2 2E ?Ecos(?t?kx??

2 0 2 2 2

1 1式中k ?2?/?，k2?2?/?2

1 1

1 2? 和? 分别为两列波在坐标原点的初位相。

1 2

两列光波的偏振方向相同，则叠加后的总场为：

图

12E?E?E

1

2

0?2E

0

1拍频波场在某一时刻t的空间分布

??? x ??? ??? x ???2c22c2cos[ 1 2(t

??? x ??? ??? x ???

2

c

2

2

c

2

上式是沿x轴方向的前进波，其圆频率为(?

??)/2，振幅为2E

cos[??(t?

x ???

)? 1 2]，

1 2 0

2 c 2

因为振幅以频率为?f???/4?周期性地变化，所以被称为拍频波，?f 称为拍频。如果将光频波分为两路，使其通过不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??与两路光的光程差?L之间的关系仍由上式确定。当

???2?时，?L=?,恰为光拍波长，

此时上式简化为：

c??f??，可见，只要测定了?和?f，即可确定光速c。

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。超声(弹性波)在介质中传播,使介质内部产生应变引起介质折射率的周期性变化,就使介质成为一个位相光栅。当入射光通过该介质时发生衍射,其衍射光的频率与声频有关。

具体方法有两种,一种是行波法,如图2（a）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。当激光束通过相当于位相光栅的介质时，使

激光束产生对称多级衍射和频移,第L级衍射光的圆频率为