phymath999: 拍频光拍的产生与传播根据振动迭加原理频差较小、速度相同的二同向传播的平面光波相迭加即形成拍

Friday, January 25, 2013

拍频光拍的产生与传播根据振动迭加原理频差较小、速度相同的二同向传播的平面光波相迭加即形成拍

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光拍 - 培训教程 - 道客巴巴

教师中国石油大学近代物理实验实验报告成绩班级应物09-5 姓名刘洋学号09131504 同组王书禾实验4-2 光“拍”的传播和光速的测量【实验目的】 1、了解声光频移的基本知识 2、理解光拍频的概念 3、掌握光“拍”法测光速的技术。【实验原理】、光拍的产生与传播根据振动迭加原理频差较小、速度相同的二同向传播的平面光波相迭加即形成拍。假设它们的振幅均为0E圆频率分别为1和2频差为12沿轴方向传播则 11101cosxktEE 22202cosxktEE 式中的11/2k和22/2k为波数1和2为初位相。这两列迭加后有 22cos22cos212121212021cxtcxtEEEE 上式表示沿轴方向的前进波其圆频率为221振幅为 22cos2120cxtE 因为振幅以频率2212f作周期性地变化所以被称为拍频波。图4-2-1所示为拍频波场在某一时刻的空间分布图中以表示拍频波长。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即 1220cos1cxtgEi 4-2-2 式中g为探测器的光电转换常数。在同一时刻光电流i的空间分布如图4-2-2所示。将直流成份滤掉即得光拍信号。而光拍信号的位相差与空间位置有关。设空间某两点之间的光程差为L拍信号位相差为由4-2-2式得 cLfcL2 4-2-3 将光分为两路通过不同的光程后入射到同一探测器输出的两个光拍信号的位相差与光程差L之间的关系仍由4-2-3式确定。特别当2时L恰为光拍的波长因此有 fc 4-2-4 在上式中只要测得了f与则可计算出光速。、相拍二光波的获得在本实验中我们采用驻波法。第级衍射条纹的圆频率与超声波频率有关可以写成 Fmnmn220 式中等于、土、土„„F为超声波频率。可见在同一级衍射条纹内存在许多不同频率的光波因此用同一级衍射光就可以获得拍频光。选取第一1n级10m的两种频率迭加获得拍频为F2。【实验仪器】光速测定仪、双综示波器、频率计等。图4-2-4和图4-2-5所示分别为实验装置框图和实验光路图。【实验内容】调整仪器调整方法详见仪器说明书使光路满足图4-2-5所示要求。微调信号频率及斩光器转动速度同时调节透镜在示波器中观察图4-2-5中12两束光的正弦信号波形并使之振幅相等移动反射镜3利用位相比较法由式4-2-4计算NeHe激光在空气中的传播速度。式中f为F2F值约为MHz15需要从频率计上精确读出。【注意事项】 1、实验中调整光路较为困难要求必须仔细动作要轻严禁用手触摸镜面 2、声光频移器及冷却铜块不得拆卸 3、各单元电路必须正常接线 4、切勿带电触摸激光器电源及电极 5、仪器使用完毕后必须用防尘罩将其盖好【数据处理】实验中测量得远程光和近程光从斩光器到半反镜的光程分别为 f 14.8608MHz 近程光/cm 23.5 组数近程光路/cm 1 152.0 2 147.0 3 147.0 4 147.0 5 147.0 6 71.0 7 4.5 8 4.5 9 143.5 10 78.5 远程光 152.0 147.0×471.04.5×2143.578.51042.0cm 光程差L远程光-近程光1042.0-23.51018.5cm 2214.868029.73fFMHz L 62829.731018.529.7310/1018.5103.028010/cfMHzcmsmms 光速的理论值为c2.99776×108m/s 实验的相对误差为 100理论理论实验ccc 8882.99776103.0280101002.99776101.68 实验中无法避免误差在误差允许的范围内可得实验结果与理论结果相对吻合。【思考与讨论】回答思考题 1、光拍是怎样形成的它有什么特点答根据振动叠加原理频差较小、速度相同的二同向传播的平面光波叠加即形成光拍。两列波叠加后有波函数21EEE圆频率为221形成拍频波振幅以频率2212f做周期性变化 2、本实验是采用两束光拍频波比较相位的方法来测量光速的为什么不采用一束光拍频根据fc来测量光速呢答不能采用一束光。实验采用的是同一光源对于确定的光源和光程既有确定的信号波形需要确定两相位关系以确定其光程差与两信号的振幅无关。【实验总结】实验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。一种是行波法在声光介质与声源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利用适当的光路使零级与l级衍射光汇合起来沿同一条路径传播即可产生频差为的光拍频波。另一种是驻波法在声光介质与声源相对的端面敷以声反射材料以增强声反射。沿超声传播方向当介质的厚度恰为超声半波长的整数倍时前进波与反射波在介质中形成驻波超声场这样的介质也是一个超声光栅激光束通过时也要发生衍射且衍射效率比行波法要高。本实验采用的是驻波法。实验中我们看到示波器上有两个信号他们是利用高速转动的电机通过斩光器依次送过来的近程光和远程光再利用示波器的余辉效应在屏幕上同时显示出来的拍频信号波形实际上示波器上的一个波形就是在波的传播方向上某点处的相应波形随时间变化的曲线。示波器上的信号来自于同一波源通过两条不同的路程所以形成了两个波形。