相位法光速测量

1、仅供个人参考 不得用于商业用途 相位法光速测量实验 本实验采用内调制被测信号的光强，测量光强调制波传播距离变 化所引起的相应相位变化，最终测定光速，并可以测量有机玻璃、人 造水晶、无水乙醇等介质的折射率。 一、实验目的 1、了解相位法测量光速的频率和波长，从而确定光速的实验原 理。 2、学会用相位法测量光速以及介质折射率。 For personal use only in study and research; not for commercial use 实验仪器 实验装置：导轨(长1m，包含半导体激光器、调制及接收装置)、 90反射镜、介质测量装置、f50透镜 数字相位计、示波器 For

2、personal use only in study and research; not for commercial use 三、实验原理 采用频率为f的正弦型调制波，调制波在传播过程中其位相是以 2-为周期变化的。表达式为： 1=101+mcos2f( t-x/t )(1) For personal use only in study and research; not for commercial use 式中m为调制度，cos2二f （t-x/t ）表示光在测线上转播的过程中， 其强度的变化犹如一个频率为f的正弦波以光速c沿x方向转播。设 测线上A和B两点的位置坐标分别为Xi和X2，当

3、这两点之间的距离 为调制波波长，的整数倍时，该两点间的相位差为： = 2 （x2x1）/ =2n二（2） 式中n为整数。反过来，如果我们能在光的传播路径中找到调制度的 等相位点，并准确测量它们之间的距离，那么这距离一定是波长的整 数倍。 设由A点出发的调制波，经时间t后转播到A 点，AA 之间的距 离为2B则A 点相对于A点的相移为二wt=2二ft,如图1（a）所示。 然而我们不可能用一台测相系统对AA 间的这个相移量进行直接测 量。解决这个问题的较好方法是在 AA 的中间B设置一个反射器，由 A点发出的调制波经反射器反射返回A点，如图1 （b）所示，光线由 A B A所走过的光程为2D,而且

4、在A点反射波的位相落后=wt。 如果以入射波作为参考信号（或作为基准信号），将它与反射波（以 下称为被测信号）分别输入到相位计的两个输入端，由相位计读出基 准信号和被测信号之间的相位差。 本实验正是基于上述原理，实验原理图如图2所示，激光器将晶 体振荡器G产生的频率100MHZ勺晶振信号对光强进行调制形成光电 调制波，该光信号经90反射镜返回，经一透镜会聚到光电二极管 PIN, PIN将收到的光调制信号进行光电转换，输出与 LED同频的信号经放 大器放大后送入混频器2,与加在该混频器上的本机振荡器 G1产生的 100.300MHz的晶振信号混频，得到差频为 300KHZ的信号，该信号通 过移相

5、器门送入示波器丫轴。与此同时，G产生的100MHZ勺晶振信 号送入混频器1,与加在该混频器上的由 G产生的100.300MHz的晶 振信号进行混频，产生300KHZ的差频信号送入示波器的X轴。这一 路信号是没有经过移相的，可以作为参考信号。这样，加在示波器上 的两路信号频率相同，但相位不同，在实际测量中就可以用精密数字 相位计直接测量处于不同位置时对应的相位值，由相关的公式推导， 从而求出空气中和介质中的光速以及介质的折射率。 图2光速测量原理框图 四、实验内容 1、空气中的光速测量 (1)采用示波器测量光速 先简单介绍示波器的X-Y应用功能： 将探头菜单衰减系数设定为10X,并将探头上的开关

6、设定为 10X; 将示波器与高频发生电箱相连接； 按下AUTO按钮； 调整垂直SCALE旋钮使两路信号显示的幅值大约相等； 按下水平控制区域的MENU菜单按钮以调出水平控制菜单； 按下时基菜单按钮以选择X-Y； 调整垂直SCALE、垂直POSITION和水平SCALE使波形达到 最佳效果。 测量开始时，将反射镜置于导轨靠近高频发射装置处， 示波器接 收到信号后，沿导轨前后移动反射镜，使示波器上的李萨如图形成一 条倾斜的直线，此时两路信号的相位差为180或者0。接着在导轨上 缓慢移动反射镜的位置，直到李萨如图形成与第一次测量正交的一倾 斜直线，此时两路信号的相位差为0：或者180，反射镜移动的距

7、离为 厶x，则光程差为2 x。实验中光强调制波的频率f知道，光程差由上 述方法测出，则光速为： c = 2 x/ （1/ 2 f） = 4 f x（ 3） 注意：调节光路似的移动反射镜的时候，反射光斑必须时刻处于 接收区内，否则会影响信号接收。 （2）采用数字相位计测量光速 将X、Y两路的信号送入数字相位计。 每次测量可以直接独处它 们的相位差值，即小心移动反射镜，每次停止时读一个相位差值，注 意在移动中保证激光光斑始终在接受区内。 由于相位和距离X具有线性关系： 1 = mx x0（ 4） 实验开始时，将反射镜置于导轨末端任意处，每隔0.10米测量 一组对应的（x“）值，共测量若干组数据。在

8、数据处理中，用最小二 乘法进行线性拟合，求出直线的斜率 m,即可求出光速： c=（2f/m） 360（5） 注意：由于相位计本身的读数误差，在移动位置超过标尺50cm 处的时候，每两个位置的相位读数误差建议减去2 - 3 （由于此时接 收信号幅度降低）。 2、介质折射率的测量 采用数字相位计测量介质折射率。 图3利用数字相位计测量介质折射率 如图3所示，实验开始时，在测量光路中加入待测样品 B,数字 相位计接收到信号后，记下相应的相位差“；接着移去待测样品，数 字相位计将记下取走样品B后的相位差门2，则有： （nf - n）LF 二（i -2） / 360（6） 式中no =1.0为空气折射率

9、，为光调制波的波长。所以： n （1 一 ： 2）/120Lf 1（7） 五、注意事项 1、仪器的调整 如果仪器放在光照较强的环境中， 在调整仪器时，应采取适当措 施，减少仪器收到外界光线的干扰。 将角反射镜置于导轨最末端，透镜从导轨上取下，调节 90反射 镜的两个反射镜后四个旋钮，使光斑照射在PIN接收器的中央，沿导 轨前后移动90反射镜，同时调节反射镜的倾斜，使光斑在 90反射镜 移动过程中不偏离PIN接收器中心太多。然后将透镜加入光路，调节 透镜位置使光斑聚集在 PIN接收器表面，然后上下左右调节透镜位 置，使光斑位于接收器的中心，这样光路就调节好了。 2、在使用器件的过程中，应注意尽量

10、避免直接用手指、潮湿的 物体或者其他尖锐的硬物接触镜片表面， 以免损坏镜片的光洁度， 影 响器件的使用效果。 器件使用完毕后，应放入原包装盒， 存放在干燥， 并能够隔绝灰尘的环境中， 存放前， 请先对器件前后光学表面进行一 定的清洁， 特别是要将表面的油污手印清理干净， 因为它们会对光学 元件造成严重的损害。 3、实验中应避免用手直接接触镜片，造成不必要的污染，如发 现镜面较脏，应用混合液（酒精和乙醚 4:1）拭擦。 4、激光管出光时，要避免眼睛直视激光光束。 仅供个人用于学习、研究；不得用于商业用途 For personal use only in study and research; n

11、ot for commercial use. Nur f u r depers?nlichen f 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员bko gA.nrogeHKO TOpMenob3ymoiflCH6yHeHuac egoB u HHuefigoHM ucno 员 B30BaTbCEb KOMMepqeckuxqe 员 ex. For personal use only in study and research; not for commercial use 以下无正文 仅供个人用于学习、研究；不得用于商业用途 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 tude