声光调制光速测量光速介质折射率测量

1、声光调制和光速测量光速和介质折射率的测量2022-5-20目录1234实验原理实验目的参考文献实验内容1实验目的通过对声光调制的理论认识和实际操作，使学生明白进行光速测量时要对频率甚高的光作怎样处理和如何处理。加深了学生对实验思想的理解，而且奠定了一定的非线性光学的实验基础。2实验原理（一）声光调制器v声光效应：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为声光效应。v光波通过介质所得到的调制光，其光强变化频率为声频率的倍。2实验原理（一）声光调制器v考虑各向同性介质，折射率的

2、改变为 (S为应变量，p为声光系数）v当声波为行波时 当声波为驻波时 其中 为声波圆频率，v介质的行波和驻波都使介质折射率在空间呈周期性变化，这相当于一位相光栅。v声波在一个周期T内，介质两次出现疏密层，且在波节处密度保持不变，因而折射率每隔半个周期T/2在波腹处变化一次。pSn2n3)sin(),()sin(00 xktnntxnxkSSssssxktnntxnxkSSsssscossin),(sinsin00s?032npSnsssk2实验原理（二）光速测量原理2实验原理（二）光速测量原理v将频率为10MHz的晶体振荡器信号加到声光调制器上，通过调制器的He-Ne激光束被调制成频率为20M

3、Hz的光强调制波。v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 v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 得到频率为296kHz的光差频信号f v该信号在光电倍增管内经各倍增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v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f同频的296kHz参考信号 v调节电感移相器移相，使之与f同相，然后送至示波器的X轴进行鉴别 v当示波器现实的李萨茹图形为同相直线时，即可由移相器读出此

4、时的值 v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。2实验原理 （二）光速测量原理v在外差检测中，被声驻波调制的光波可以近似写成v本征信号加在光阴极上产生的信号场可写成v光阴极上的总场为v产生混频电流为v将光电流信号通过一个选频网络，可得到光外差信号v电差频信号为v将两个信号分别送至示波器的X轴和Y轴，当两振动位相差为m时，显示为一条直线v令 （可通过调节移相器实现），于是两振动的相位差为v可得 或是写成v由此可得 ，故有)22(cos10s101xktEEs)cos(200202tEE)(ReRe)( e)(20)22(1020010tVe

5、EeEttjkjss2)2(c2)()()(20100220210220210 xktosEEEEtVtVtiss2)2cos(300 xktUUsspp)2cos(400tUUsee43xsk2xcxkkss220 xmxcms/23602mfcs3实验内容（一）声光调制器部分：按实验装置图（见下图）接通系统在观察到衍射光斑后，选择光阑位置，使1级或2级衍射光通过，使之入射到光电倍增管，经光电转换后在示波器上观察光强变化的波形。测量频率，以验证在小信号下衍射光强被等幅声波以2倍的频率调制。3实验内容（二）光速测量部分：1、斜率法： 调节移相器,测出不同x值时的值,作-x关系曲线,关系曲线应为

6、一条直线,用最小二乘法求出斜率m，相关系数r和标准误差。 2、半波长法： 在导轨上移动角锥位置，去x1和x2，用示波器观察，调节移相器，使之满足则有因此，可由差值（x2-x1）确定光速c。)1(222211nxcnxcss)(412xxfcs4参考文献鹤田匡夫. 光速度测定. O plus E，p.102，1982鹤田匡夫. 光速度测定. O plus E，p.94，1982华中工学院等. 激光技术. 湖南科学出版社，1981D.N.Page and C.D.Geilker，Measuring the Speed of Light with Laser and Pockels Cell，Ame

7、rican Journal of Physics，Vol.40，p94，1982肖明耀. 实验误差估计与数据处理. 科学出版社，p.36，1980郭有思. 直线拟合. 物理实验，第5期，1983高立模. 光速实验的改进. 物理实验，第6期，19841实验原理1实验原理v晶体振荡器G2产生的频率为50.10MHz的晶振信号，通过发光二极管LED调制形成光强调制波v经过透镜L1扩束，经反射镜M和聚焦透镜L2入射光电二极管PIN，将光电调制信号进行光电转换vPIN输出与LED同频的信号，经放大后送至混频器2，与本机振荡器G1产生的50.05MHz的晶振信号混频，得到差频f 为50Hz的信号，通过移相

8、器，送入示波器Y轴vG2产生的50.10MHz晶振信号送入混频器1，与G1产生的50.05MHz晶振信号进行混频，产生f 为50Hz的差频信号，送入示波器X轴v通过李萨如图形判断其在导轨不同位置所产生的位相差，或用精密数字位相计直接测量v由相关推导公式，求出空气介质中的光速及介质中的折射率1实验原理（一）空气中的光速测量 1.采用示波器测量光速v将反射镜置于导轨末端1.50米处，示波器接收信号，调节移相器使李萨如图形为一条倾斜的直线，此时两路信号的位相差为180或0v仔细调节反射镜位置，使李萨如图形为与第一次测量正交的一倾斜直线，此时两路信号位相差为0或180 v反射镜移动距离为x，则光程差为

9、2x，光强调制波频率为f，则光速为xffxc4)2(12 2.采用数字位相计测量光速v直接读出两路信号的位相差值v由于位相与距离x有线性关系 =mx+x0 v用最小二乘法进行线性拟合，求出mv可得到光速360f2mc1实验原理（二）介质折射率的测量 1.用示波器测量介质折射率v第一次测量，在测量光路上加入待测样品B（长度为LF）v反射镜置于适当位置，示波器接收信号，调节移相器使两路信号的位相差0（李萨如图形为一条倾斜直线），光进行时间tv第二次测量，移去待测样品，移动反射镜使两路信号位相差再次为0（李萨如图形为一条直线），光进行时间tv可得介质折射率FFLFLCLCLCL1tLLCCLx2t112nFFLFLxCC1实验原理（二）介质折射率的测量 1.用数字位相计测量介质折射率v第一次测量，在测量光路上加入待测样品B（长度为LF）v记下相应的1v第二次测量，移去待测样品v记下相应的2v则有v可得介质折射率360)()(210FFLnn16021FFLn3实验内容（一）仪器的调整 减少仪器受外界光线的干扰 1.凸透镜、反射镜的调整 2.成像透镜的调整（二）光速的测量（三）介质折射