光速的测量Word文档格式.docx
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τ<
l／∆f）内的时间平均值：
式中g为探测器的光电转换常数。
在同一时刻，光电流
的空间分布如下图所示。
将直流成分滤掉，即得光拍信号。
而光拍信号位相又与空间位置ｘ有关，即处在不同位置的探测器所输出的光拍信号具有不同的位相。
设空间某两点的光程差为∆Ｌ，该两点的光拍信号的位相差为∆φ，据上式应有：
如果将光频波分为两路，使其通过不同的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Δφ与两路光的光程差ΔL之间的关系仍由上式确定。
当Δφ=2π时，ΔL=Λ，恰为光拍波长，此时上式简化为
可见，只要测定了Λ和∆f，即可确定光速ｃ。
2、相拍二光束的获得
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。
具体方法有两种：
一种是行波法，如图１５－３（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。
超声在介质中传播，引起折射率的周期性变化，使介质成为一个位相光栅，激光束通过介质时要发生衍射。
衍射光的圆频率与超声波的圆频率有关，第Ｌ级衍射光的圆频ωＬ＝ω０＋ＬΩ率，其中ω０是入射光的圆频率，Ω为超声波的原频率，Ｌ＝０，±
１±
2，……为衍射级，利用适当的光路使零级与+1级衍射光汇合起来，沿同一条路径传播，即可产生频差为Ω的光拍频波。
另一种是驻波法，如图15—3（b）所示。
前进波与反射波在介质中形成驻波超声场，此时沿超声传播方向，介质的厚度恰为超声半波长的整数倍，这样的介质也是一个超声位相光栅，激光束通过时也要发生衍射，且衍射效率比行波法要高。
第Ｌ级衍射光的圆频率
，式中Ｌ，ｍ＝0，+1，±
2，…，可见，在同一级衍射光内就含有许多不同频率的光波。
因此，用同一级衍射光即可获得拍频波。
例如，选取第一级，由m＝0，一l的两种频率成分叠加，可得拍频为2Ω的拍频波。
对比两种方法，显然驻波法有利，本实验中采用驻波法。
三、实验装置
本实验所用仪器有JWY-III型光速测定仪，ST—16型示波器，E434型数字频率计。
JWY-III型光速测定仪主要由光路和电路两部分组成。
1、实验光路组成
JWY-III型光速测定仪光路图
在光路图中，M2、M12为半反镜，M1、M3-11为反射镜，要求把M10、M11安装在可沿光束传播方向移动的平台上。
适当地调整面镜的角度使光束平行于仪器的台面，并且使两光束都射入光电探测器中。
通过会聚透镜的焦点上时，示波器上曲线的幅度最大。
直流电机轴上装的锥形遮光罩一半是空的，它每转过一周两光束各通过一次。
2、电路组成
电路的原理框图如下图所示，它主要由高频振荡器、光电检测器、变频和电源四部分组成。
JWY-III型光速测定仪电路图
（1）、高频振荡器能产生大约15MHz的高频正弦信号，经高频功放后驱动超声换能器。
调节振荡频率等于调制器的谐振频率，这时介质中便有驻波产生。
（2）、光电检测器中的光电管先把入射光转换成电信号，但考虑到氦氖激光本身的噪声，其频谱主要在25MHz以下，在调幅光中除了频率为2Ω的有用信号外，也包含多种谐波成分，为此光电检测器中设置了带通滤波器，用于提高信噪比，对30MHz左右的信频信号进行选频，然后信号经放大后送变频电路。
（3）为便于放大和用普通示波器观察，变频电路把光电检测器输出的频率约为30MHz的高频信号通过变频器降频。
本振信号一路送混频器1，它把接收到的信号频率降至280kHz左右。
一路经二分频送混频器2，它把15MHz左右的调制信号降到150kHz左右，用此信号作为示波器的外同步信号，使显示波形稳定。
由于变频仅改变信号的频率而不改变其相差，所以，降频信号的相位差与原信号的相位差相等。
（4）电源电路包括直流电机调速电路、激光管的泵电源以及仪器所需的各种稳压电源。
四、实验步骤
（1）按电路图连接线路，打开激光电源，先把电流调制最大，再缓慢调节至4.0mA左右。
接通15V直流稳压电源，调节功率信号源的输出频率，使衍射光最强。
（2）调节圆孔光栏，使1级或零级衍射光通过。
依次调节各全反镜和半反镜的调整架，使远程和近程两光束在同一水平面内反射、传播，最后垂直入射接收头。
调节斩光器的位置和高低，使两光束均能从斩光器的开槽中心通过。
（3）调节斩光器，遮断远程光而使近程光进入接收头，微调功率信号频率，使示波器中近程光的光拍信号波形幅度最大；
再将斩光器转至远程光通过的位置，调节图15—4中全反镜M11的俯仰，改变远程光进入接收头的光通量，使远程光的光拍信号波形与近程光的光拍信号波形的幅度相等。
（4）转动手轮，前后移动在轨道中段，装有全反镜M10、M11平台，改变两路光的光程差，使示波器上两波形第一次完全重合，测此时的光程差，再转动手轮使M10、M11前后移动一段距离，发现两波形虽然幅值不同，但波峰波谷基本重合，记下偏离的距离。
（5）测量拍频波长Λ，并用数字频率计精确测定功率信号源的输出频率f。
反复测量五次，利用公式c=Δf×
Λ，求出光速值及其标准误差。
五、注意事项
1、JWY-III型光速测定仪应放置在稳固、平整的实验桌上，实验室光线不要太明亮。
2、在调节光录过程中，请勿用手直接与玻璃镜片接触，以免污染镜面。
六、思考题
1、本实验采用何种方法得到相拍二光束?
2、如何测量拍的波长?
本实验采用超声与光波的相互作用驻波法来得到相拍二光束。
调节远程和近程两光束位相差为2π即示波器中对应两列波重合时，远程和近程两光束光程差为一个光拍波长。
量出此时远程和近程两光束光程差即为拍的波长。
JWY-III型光速测定仪
第一章
概述
第一节仪器的用途
JWY-III型光速测定仪由主机和示波器组成。
它能直接在示波器的荧光屏上显示二路光程不同的光“拍”频波的波形和相位。
从而达到测量光波在空气中的目的。
第二节仪器的指标
一、输入电压：
A.C.220V±
10%50HZ
二、消耗功率：
30W
三、外形尺寸：
1700*420*270mm3
四、净重：
45Kg
五、连续工作时间：
5小时
六、环境温度：
0℃—+40℃（室温）
七、光源氦氖激光器输出功率≧1mw，波长6328À
单模
八、光载频：
29～30MHz
九、准确度：
0.5%（为相差2π）
2%（其他位相差）
第三节仪器的结构
主机（见结构图）
一、发射部分：
氦氖激光器
（1）声光移频器
（2）高频信号源
二、光路：
光栏（3）全反镜（4、7、8）（11—13）（15—17）半反镜（10）半反镜（条形）（5）斩光器（6）导轨（14）箱体（18）
三、接收部分：
光电接收盒（9）分频器
四、电源：
氦氖激光器电源±
15V直流稳压源
第四节仪器储存±
仪器长期保存时，温度应在0℃—+40℃之内，相对温度不大于80%，至少半个月应通电运行一小时。
运输仪器时，应将仪器装在防潮、防震的箱内。
自发货日起15个月内，在合理运输、保存在正确使用情况下，本厂保证无偿地更换和维修不合格产品。
第二章仪器的工作原理
第一节电原理方框图
第二节电原理说明
长2500mm的氦氖激光器管输出波长为6328À
，功率大于1mv的激光束射入声光移频中，同时功率信号输出频率为15MHz左右、功率1w左右的正弦信号加在移频器的晶体换能器上，在声光介质中产生声驻波，使介质产生相应的疏密变化，形成一位相光栅，则出射光具有2种以上的光频，其产生的光“拍”信号为功率信号的倍频（详见实验指导书）功率源采用考必子振荡电路，经预防大，功放输出。
二、光电接收信号和信号处理部分
由光路系统出射的拍频光，经光电二极管接收转化为频率为光拍频的高频电信号，输入至混频电路盒。
该信号与本地振荡信号混频，选放后输入至ST—16示波器的Y输入端。
与此同时，功率信号发生器的另一路输出信号与经除2分频后的本振信号混频，选放后作为ST—16示波器的外触发信号。
需要指出的是，如果使用示波器内触发，将不能正确显示二路光波之间的相位差。
三、电源：
激光电源采用倍压整流电路，工作电压部分采用大电解电容，使之有一定的电流输出，触发电压采用小容量电容，利用其时间常数小的性质，使该部分电路在有工作负载的情况下形同短路，结构简洁、有效。
±
15V电源采用三端固定集成稳压器件，负载>
300mA，供给光电接收器和信号处理部分以入功率信号源。
15V降压调节处理后供给斩光器之小电机。
指示灯电压直接由稳压电源给出。
第三章仪器的使用
第一节仪器的成套性
一、成套性
CG—IV型光速测定仪一台
电源线一根
50Ω高源电缆线三会
二、配套仪器
ST—16一台（自备），频率计一台（自备）
三、技术文件
实验指导书一份
使用说明书一份
装箱单一份
质量保证书一份
产品合格证一份
第二节仪器的安装
一、仪器应放在稳固、平整的实验桌上，室内光线不宜明亮。
二、调节底脚螺栓（23），使一起处于水平状态。
三、接线：
1．将电源线接入电源插口;
2．用高频电缆将高频信号源的输出端（机内）接入声光频移器出入插口；
3．分频器D—04—2的30MHz信号殊途（机内）用高频电缆接至光电接收电路D—04—1的输出孔。
第三节仪器的调试
一、激光器（D—02）
1.接通电源开关；
2.调节电位器，使表头指示5mA左右，以最大激光光强输出为准，15分钟后激光器输出趋于稳定。
二、示波器；
3.按示波器说明书使ST—16正常工作，Y轴衰减和扫描速度按输入信号适当选择。
注意必须使用ST—16处于触发工作状态（无外触发信号扫描），否则不能准确比较光拍信号的位相差。
三、直流稳压电源（D—05）
4、接通稳压电源来管，二指示灯亮，则正负15v电源正常供电。
四、声光频移器（D—01）；
5、使激光束水平通过D—01的通光孔与D—01的声光介质中的驻声场充分互相作用（通过调节频移器底座上的螺丝来完成），调节频率微调旋钮，使产生二级以上最强衍射光斑。
五、光路
6、光栏（3）高度与光路反射镜中心等高，使+1级或-1级衍射光通过光栏入射带相邻反射镜的中心。
7、用斩光器（6）挡住远程光，调节全反镜（4）和半反镜（7）使近程沿光电二极管前透镜（18）的光轴入射到光电二极管的光敏面上，打开光电接收器盒（19）上的窗口8可观察激光是否进入光敏面，这时，示波器上应有语近光程光束相应的经分频的光拍波形出现。
8、用斩光器（6）挡住近程光，调节半反镜（5）全反镜（9—15）和正交反射镜组（16），经半反镜（7）与近程光同路入射到光电二极管的光敏面上，这时，示波器屏上应有语远程光光束相反的经分频的光拍波形出现，7、8二步骤应反复调节，直至达到要求。
9、光电二极管（即它的光敏面）的方位可通过调节装置（20）和（21）使示波器屏上的显示最大振幅来确定。
六、双光路位相比较：
10、检查示波器是否工作在外触发状态。
11、接通斩光器（6）的点击开关（在±
15v稳压电源上），调节微调旋钮使斩波频率约30赫左右，则借助示波管的余辉可在屏上同时显示出近程光。
远程光和零信号的波形。
12、手摇移动导轨上的装有正交反射镜的滑块，改变远近光的程差，可使相应二光拍信号同相（位相差为2π）。
13、为改变二光束的位相差（如为π），则可用两片短路反射镜插入（C、D）的任二位置，则远程光的部分光程被短路。
重复上述调节，可使二光拍波形到既定的位相差。
七、测量与计算：
14、测量光程差∆L，拍频∆f=2F，其中F为功率信号源的工作频率。
15、根据公式
计算光速C，若∆Ф=2π，则∆L=Λ为光拍波长；
若∆Ф=π，则∆L=Ф/2。
第四节关于确保实验精度
一、加相移的产生
本仪器实验精度除要求准确的频率和光程差的测量以外，主要由位相比较决定，如果操作不当，将产生虚假的相移，影响既定实验精度，产生假相移的主要因素，在于光电二极管光敏面上各个点的灵敏度不同和电子渡越时间r的不一致。
如图近光程光（如光L1）沿透镜L光轴入射，会聚与P1点，远程光（L2）离轴入射会聚与P2点，由于上述原因将产生虚假相移，造成误差。
二、假相移的防止
可行的方法是使L1和L2光轴同轴入射。
四、检验L1、L2同轴的方法
在滑块前或近程光路上置一光栏片，用斩光器依次让远、近程光通过。
观察二光束在光敏面上反射的光经透镜是否都成像在光轴上。
第五节仪器电气性能的检查
一、功率信号源应答指标：
频率：
（14.2～15）±
0.25MHz可调
输出幅度：
空载VPP~18V
加载空载VPP~8V
二、光电接收（D—04—1）应达指标：
中心频率：
～30MHz
VPP=100mv
四、信号处理单元D—04—2应打指标：
Y：
300～500KHz
幅度：
VPP>
3v
Ext:
频率:
150~250KHz
幅度:
第六节关于声光频移器
一、工作原理：
声光频移器是本仪器心脏部件，其工作原理见实验指导书。
二、结构和工作情况
声光频移器的结构如下图所示。
压电换能器
（1）的材料是Y—36°
切割LnNbo3晶体，厚度约20丝，其相对二打面镀有金属电极，用银丝作电极引线以便功率信号馈入之用。
（1）的外侧质优铜块与之紧密压触，作固定和冷却之用
（1）用真空冷铟粘结法压附于的声光介质
（2）上，当
（1）瘦功率信号驱动产生超声振动时，
（2）内部存在驻声波声场（3），声场（3）多呈片状，厚度与
（1）的快读（约2mm）相等。
正常工作要求入射激光与介质内薄层状声场（3）充分相互作用，否则不可能产生衍射光或衍射光极弱，无法进行实验。
三、调节：
如上所述必须仔细调节声光频移器，使入射激光同介质中声场充分互相作用，才能使之正常工作。
声光频移器的调节是通过其底座的六颗螺钉（四顶、二拉）实现的。
由四颗顶紧螺钉决定声光器件的高度和方法。
调至能正常工作后二位拉紧螺钉应将声光频移器固定，不得松动。
四、注意：
为保证声光频移器良好接触和散热，已将电极引线和冷却铜块座永久性固定。
如该永久性固定遭破坏，将不再能修复，请用户切记（但声光频移器盒的顶盒可拆卸）。
第七节注意点
1.声光频移器引线及冷却铜块不得拆卸。
2.各单元电路的直流仙缘必须按规定极性通电，严禁反接。
3.切忌用手指或其他污秽、粗糙物接触光学元件的光学面。
4.切勿带电触摸激光电源和激光管电极等高呀部位，以保证仪器及人身安全。
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