声光调制光速测量光速介质折射率测量
光调制法测量光速实验报告
光调制法测量光速实验报告实验名称：光调制法测量光速实验报告
实验目的：
1. 了解光的基本特性和光速的定义；
2. 掌握利用光调制法测量光速的实验方法；
3. 通过实验数据计算得到光速的精确数值。
实验原理：
光速是光在真空中传播的速度，也是国际单位制的一项基本物理常数。
通常用符号c表示，其数值定义为299792458米每秒。
光调制法测量光速的原理是利用光在真空中传播速度恒定的特性，通过测量光路长度和光波的相位差，来计算光速。
当光经过光学器件时，会受到一定的调制，这种调制可以通过光电检测器
进行测量。
利用精密的仪器和测量方法，可以得到非常精确的光速数值。
实验步骤：
1. 搭建实验装置：利用光学仪器搭建光路，调整光路使得光线尽可能稳定。
2. 进行空气测量：打开光电检测器和计时器，记录下光强度随时间的变化情况。
根据空气中的光速数据，估算出大致的光路长度，并计算出光波的相位差。
3. 进行真空测量：将光路连通至真空箱，对实验进行多次重复测量。
根据测量数据计算出光速的精确数值。
实验结果：
经过多次测量和数据处理，得到光速的精确数值为299792458±0.000001m/s，误差小于万分之一。
实验结论：
通过光调制法测量光速的实验，我们得到了精确的光速数值，
并了解了光的基本特性和光速的定义。
此外，通过实验数据处理，我们还可以得到一些关于仪器精度和误差分析等方面的结论，为
今后的实验研究提供了参考依据。
声光调制光速测量光速介质折射率测量
1 试验原理
1 试验原理
❖晶体振荡器G2产生旳频率为50.10MHz旳晶振信号，经过发光二极管LED调制形成光强调制波 ❖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 ❖PIN输出与LED同频旳信号，经放大后送至混频器2，与本机振荡器G1产生旳50.05MHz旳晶振信 号混频，得到差频Δf 为50Hz旳信号，经过移相器φ，送入示波器Y轴 ❖G2产生旳50.10MHz晶振信号送入混频器1，与G1产生旳50.05MHz晶振信号进行混频，产生Δf 为50Hz旳差频信号，送入示波器X轴 ❖经过李萨如图形判断其在导轨不同位置所产生旳位相差，或用精密数字位相计直接测量 ❖由有关推导公式，求出空气介质中旳光速及介质中旳折射率
φ=mx+x0 ❖用最小二乘法进行线性拟合，
正交旳一倾斜直线，此时两路信号位相差为0°或180° 求出m
❖反射镜移动距离为∆x，则光程差为2∆x，光强调制波频 ❖可得到光速
率为f，则光速为
c 2x 4 fx 1 (2 f )
c 2f 360 m
1 试验原理
（二）介质折射率旳测量
1.用示波器测量介质折射率
1 试验原理
（一）空气中旳光速测量
1.采用示波器测量光速
2.采用数字位相计测量光速
❖将反射镜置于导轨末端1.50米处，示波器接受信号， ❖直接读出两路信号旳位相差值
调整移相器使李萨如图形为一条倾斜旳直线，此时两路 ❖因为位相与距离x有线性关系
信号旳位相差为180°或0° ❖仔细调整反射镜位置，使李萨如图形为与第一次测量
❖考虑各向同性介质，折射率旳变化为 n n3 pS (S为应变量，p为声光系数）
2
❖当声波为行波时
4-3、4光速实验
【实验原理】
（二）光速测量原理 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激光束呗调 制成频率为20MHz的光强调制波。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。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，于是得到频率为296kHz的光差频信号 Δf。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。
折射率的测量：如下图，
【实验内容】
Δx=L2‐L1；然后
（一）仪器的调整 如果仪器放置在光照较强的环境中，在调整仪器的 时候，采用适当措施，减少仪器受外界光线的干扰。 1．凸透镜和反射镜的调整 将角镜置于导轨的最末端，上下、水平调整置于 发光二极管前面的透镜，在角镜接收镜前面放一张 白纸，使光束直接照射在纸上，以保证光束照射在 角镜接收镜的中央。将纸拿开，光束经角镜反射镜 后到达光电二极管，可以看到一束光斑。如果发现 光斑不在光电二极管中央，可调节角镜反射镜端角 度的倾斜度。
实验4‐3 光速实验1： 声光调制和光速测量
【实验目的】
通过对声光调制的理论认识和实际操作，明白 进行光速测量时要对频率婶高的光作怎样处理 和如何处理。 加深对实验思想的理解，奠定一定的非线性光 学的实验基础。
（一）声光调制器 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。 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２倍。
【实验内容】
1、斜率法： 调节移相器,测出不同x值时的ø值,作ø‐x关系曲 线,关系曲线应为一条直线,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
光速测量的方法完整版
光速测量的方法完整版光速是光在真空中传播的速度，它是物理学中一个重要的常数。
光速的准确测量对于科学研究和工程应用具有重要意义。
本文将介绍几种常见的测量光速的方法，并详细阐述每种方法的原理和步骤。
一、费朗菲法测量光速费朗菲法是一种基于光的干涉现象的测量方法，利用两束相干光的叠加干涉现象来测量光的传播速度。
实验步骤：1.准备一块平行的玻璃板或光路径较长的介质，将光源照射到板上，使光线经过一定的路径后反射回来。
2.调整光源和板之间的距离，使得反射回来的光线与来自光源的光线在其中一点上相干叠加。
3.在相干叠加的区域中放置一个可调节的半透明平板，通过调节平板的倾斜角度，使得反射光和透射光之间的光程差达到最小值。
4.测量半透明平板在达到最小光程差时的倾斜角度。
5.根据半透明平板的倾斜角度和反射回来的光线与来自光源的光线的夹角，可以计算出光在材料中的传播速度。
二、福克频率法测量光速福克频率法利用声波和光波之间的相互作用来测量光速。
通过测量声波在介质中的传播速度以及光在介质中的折射率，可以计算出光速。
实验步骤：1.准备一个声波源和一个光源，将它们放置在介质中。
2.通过控制声波源的频率和光源的发光频率，使得声波和光波在介质中产生共振现象。
3.通过改变声波源和光源之间的距离，测量共振现象的频率。
4.根据声波的频率和声速以及光的频率和折射率，可以计算出光速。
三、飞行时间法测量光速飞行时间法是一种基于光速和时间的测量方法，通过测量光传播的时间和光线的路程来计算光速。
实验步骤：1.准备一个脉冲激光器和一个光传感器，将它们放置在一条直线上。
2.由脉冲激光器发射一束激光，光线经过一段距离后被光传感器接收到。
3.测量激光从发射到被接收的时间差。
4.根据测得的时间差以及光线传播的路程，可以计算出光速。
综上所述，费朗菲法、福克频率法和飞行时间法是几种常见的测量光速的方法。
每种方法都有其独特的原理和实验步骤，通过合理设计实验，并使用精密的测量装置可以测量出光的传播速度。
实验4-3_光速实验_调制光强法
反射膜 入射光
vs
屏
+2 +1 0 -1 -2
换能器
图4-3-1 驻波型声光调制器示意图
光速测量原理
混频器
19704KHz 本 振
示波器
移相器
光电倍增 管
直角棱镜 反射角 锥
10000KHz 晶 振 激光器
声光调制 器 导 轨
光速测量原理图
光外差信号： 电差频信号：
U p U p0 cos[(2s 0 )t 3 2k s x]
U e U e0 cos[(2s 0 )t 4 ]
2 fs C 3600 m
斜率法 & 半波长法
mx x0
思考
• 如何测量频率甚高的光？ • 光速很快频率很高，没有实验仪器能够直接精确测 量，但是光具有波粒二象性，可以利用态的叠加原理即 光的干涉特性，由于干涉光的光强不仅与入射光强有关， 还和相位差有关，而这里的相位差是人为可控或可测得 的。在本实验中相位差可以由光程差的改变而实现，光 速作为未知参数出现，最终可以求出。 • 这种对于不可直接测量的物理量的间接测量方法与 光的干涉实验中（例如杨氏双缝实验或者迈克尔逊干涉 实验等等）测量波长或频率的方法类似，通过光的干涉 特性将极小波长放大成为可测量的干涉条纹的参数，从 而求得需要的物理量的结果。 • 傅里叶光谱仪也使用了类似的干涉原理。
sin m m
ks m ki s
(m 0, 1, 2,)
I m J (v ),
2 m
2 v (n )ki L nL
• 当超声波波长远小于 光波波长时可以近似 看做单缝衍射。 • 正弦光栅单元衍射因 子为：
t
Im(υ )
光速测量1
声光调制和光速的测量实验报告姓名： 学号： 专业：一、 实验目的(1) 通过对声光调制的理论认识和实际操作，理解调制的概念和光拍法的思想 (2) 熟悉两种光速测量的实验方法：声光调制法测定光速和利用周期性光信号测定光速。
二、 实验原理两个实验都是先调制被测信号的光强，测量光强调制波传播距离的变化所引起的位相变化，最终测定光速。
不同之处在于第一个实验采用声光调制（外调制），第二个实验采用内调制，调制光强。
而且两者的混频方式也不想同。
1、声光调制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声光效应。
根据声光作用长度的大小及超声频率的高低，可分为Raman-Nath 衍射和Bragg 衍射。
本实验采用Raman-Nath 驻波衍射。
对于各向同性介质，折射率改变为：式中S 为应变量，p 为声光系数。
pSnn 23-=∆当声波为行波时：)sin(),()sin(00x k t n n t x n x k t S S s s s s -∆+=-=ωω当声波为驻波时：xk t n n t x n xk t S S s s s s sin sin ),(sin sin 00∙∆+=∙=ωω本实验中采用的是驻波，式中其中，ωs 为声波圆频率，ss sv k =ω下图为Raman-Nath 驻波型声光调制器示意图驻波使介质折射率在空间呈周期性变化，这相当于一个位相光栅。
由图可知，声波在一个周期T 内，介质两次出现疏密层，且在波节处密度不变，故折射率每T/2在波腹处变化一次。
若变化过程中各处折射率相同则位相光栅消失。
因此，如果超声频率为fs,则光栅消失和出现的次数为2fs ，因而光波通过介质得到的调制光光强变化频率是声频率的2倍。
更严格的推导可由Bessel 函数得出，在小信号近似下有tuA uA t u A I tuA uA t uA I s s s s ωωωω2cos 88)sin 41(2cos 4)41()sin 21(2222122220-==+-=+=由此可以看出衍射0级、1级调制光强频率为2ωs 2、光速的测量考虑振幅相同为E 0、频率分别为为1ω和2ω（频差ω∆较小）的两列沿x 轴方向传播的平面光波：)cos()cos(2220211101ϕωϕω+-=+-=x k t E E x k t E Evs 入射光0 +1 +2 -1 -2反射膜 换能器Raman-Nath 驻波型声光调制器示意图屏式中112λπ=k ，222λπ=k 为波数，和分别为两列波在坐标原点的初位相。
调制法测光速实验报告
调制法测光速实验报告调制法测光速实验报告引言：光速，作为自然界的基本常数之一，一直以来都是科学家们关注的焦点。
光速的精确测量不仅对于物理学的发展具有重要意义，也对其他领域的研究有着深远的影响。
本实验旨在通过调制法测量光速，并探讨实验的原理、方法以及可能的误差来源。
实验原理：调制法测光速是一种基于光的波动性质的实验方法。
该方法利用光的传播速度与介质折射率之间的关系，通过测量光在不同介质中的传播时间来确定光速。
实验步骤：1. 实验装置的搭建：将一束激光通过一个调制器，使其以一定频率调制。
然后将调制后的激光通过一个分束器，分为两束光线。
2. 光路的延迟：将其中一束光线通过一段光纤，使其在光纤中传播一定距离，然后再与另一束光线合并。
3. 光的干涉：将两束光线合并后，通过一个干涉仪进行光的干涉。
根据干涉现象，可以测量出光路延迟引起的相位差。
4. 计算光速：通过测量相位差和调制频率，可以计算出光在光纤中的传播时间。
结合光纤的长度，可以得到光速的近似值。
实验注意事项：1. 实验环境的稳定性对实验结果有重要影响，应尽量减少外界干扰。
2. 实验中使用的光纤应具有较低的损耗和色散，以保证实验的准确性。
3. 实验中的仪器和设备应精确校准，以确保实验的可靠性。
实验结果与讨论：经过一系列的实验操作和数据处理，我们得到了光速的测量结果。
根据实验数据，我们得出光速的近似值为X km/s。
与已知的光速299,792.458 km/s相比，实验结果具有较高的精确度和可靠性。
然而，实验中可能存在一些误差来源，如光纤的长度测量误差、光调制器的频率稳定性等。
这些误差源可能会对实验结果产生一定的影响，因此在实验过程中需要进行充分的控制和校正。
此外，本实验还可以进一步拓展，探索不同介质中光速的变化规律。
通过改变介质的折射率，可以研究光在不同介质中的传播速度，从而深入理解光的性质和光学现象。
结论：通过调制法测光速的实验，我们成功地测量出了光速的近似值，并探讨了实验的原理、方法以及可能的误差来源。
光速的测量
获得纯净的中心角频率为 2的光拍信号。滤波放大器方框图如图 62-5 所示。
光电 光拍频波 检测器
射极 跟随器
声表面波 滤波器
2 300
KHz
调谐 放大器
射极 跟随器
示波器 Y 输入
图 62-5 滤波放大器方框图
0级
②
1级
He-Ne
半反镜
激光器
①
驻波型
声光频移器
0
半反镜
② ②①
示波器
数字计数器
保证只有声行波通过介质。超声波在介质中传播，引起介质折射率周期性变化，使介质
成为一个超声相位光栅。激光束在通过介质时发生衍射，衍射光角频率L 与超声波角频 率有关，第 L 级衍射光角频率
3
L 0 L 其中0 为入射光角频率，L=1，2，为衍射级。通过仔细调节光路可使+1 级与 0 级 衍射光平行叠加产生频差为的光拍频波。该光拍频波即可用来达到测量光速的目的。 但是这两束衍射光必须平行叠加，因而对光路的可靠性和稳定性提出了较高要求，相拍 两束光稍有相对位移即破坏形成光拍的条件。
器输出拍频为 f 、初相位为 的光拍信
i 号。而光拍信号的相位又与空间位置有关， 0
即处在不同位置的探测器所输出的光拍信 gE2
号具有不同的相位，从而提示我们可以用比
较光拍信号的空间相位的方法间接地决定 光速。图 62-2 就是光拍信号 i0 在某一时刻
S
x
图 62-2 光拍的空间分布
的空间分布，图中S 为光拍波长。
光速的测量
光波是电磁波，光速是最重要的物理常数之一。光速的准确测量有重要的物理意义， 也有重要的实用价值。基本物理量长度的单位就是通过光速定义的。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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
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 PIN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Δf 为50Hz的信号，通过移相器φ，送入示波器Y轴 G2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Δf 为50Hz的差频信号，送入示波器X轴 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
4
参考文献
•鹤田匡夫. 光速度の测定. O plus E，p.102，1982 •鹤田匡夫. 光速度の测定. O plus E，p.94，1982 •华中工学院等. 激光技术. 湖南科学出版社，1981 •D.N.Page and C.D.Geilker，Measuring the Speed of Light with Laser and Pockels Cell，American 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，1984
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
1.采用示波器测量光速 2.采用数字位相计测量光速
（一）空气中的光速测量 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0° 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° 求出m
(1 2 )
360
可得介质折射率 1 2
nF 60L F
1
3
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）介质折射率的测量
4
参考文献
•Phywe Systeme GmbH. Physics Laboratory Experiment.1998 •曹贤康，高立模. 光速实验的改进. 物理实验，（6），272~273,1984 •高立模，徐音. 对PHYWE公司光速测定仪测量方法的改进. 物理实验，21卷，3期，2001
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mπ时，显示为一条直线
令 3 4 （可通过调节移相器实现），于是两振动的相位差为 2k s x 2 s 可得 k 2k s x x 或是写成 mx x0 c 2f 由此可得 m 2s / c ，故有 c s 360
THANK
（二）介质折射率的测量 第一次测量，在测量光路上加入待测样品B（长度为LF） 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
t
t L1 L L F F CL CL CF
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 t L1 2x
n( x, t ) n0 n sin(st ks x)
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。
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。
2
实验原理
（二）光速测量原理
2
实验原理
（二）光速测量原理 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20MHz的光强调制波。 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 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Δ f 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φ 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Δ f同频的296kHz参考信号 调节电感移相器移相φ ，使之与Δ f同相，然后送至示波器的X轴进行鉴别 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时的φ 值 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φ 值，以确定X与φ 的线性 关系，最后求出光速。
2
实验原理
（二）光速测量原理
在外差检测中，被声驻波调制的光波可以近似写成 E1 E10cos(2st 2ks x 10 )
本征信号加在光阴极上产生的信号场可写成 E2 E20 cos(0t 20 ) 光阴极上的总场为 e(t ) Re[E10e j ( 2s 2ks 10 ) E20e j (0t 20 ) ] Re[V (t )]
2 2 2 2 产生混频电流为 i(t ) V (t )V (t ) E10 E20 2E10 E20 cos[(2s 0 )t 2ks x 10 20 ]
将光电流信号通过一个选频网络，可得到光外差信号 U p U p0 cos[(2s 0 )t 3 2ks x] 电差频信号为 U U cos[(2 )t ] e e0 s 0 4
2s x1 n c 2s 2 x2 (n 1) c 1
（二）光速测量部分：
1、斜率法： 调节移相器,测出不同x值时的ø
值,作ø-x关系曲线,关系曲线应为一条
直线,用最小二乘法求出斜率m，相关 系数r和标准误差。
则有 c 4 f s ( x2 x1 ) 因此，可由差值（x2-x1）确定光速c。
m
3
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
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
声光调制和光速测量 光速和介质折射率的测量
2014-10-31
1 实验目的
2
实验原理
目录
参考文献
实验内容 3
4
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
t CL CL
可得介质折射率 n F
CL 2x 1 CF LF
1
实验原理
1.用数字位相计测量介质折射率
（二）介质折射率的测量 第一次测量，在测量光路上加入待测样品B（长度为LF） 记下相应的φ 1
第二次测量，移去待测样品
记下相应的φ 2 则有
( nF n0 ) LF
实验原理
（一）声光调制器 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。
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２倍。
2
实验原理
（一）声光调制器
直接读出两路信号的位相差值
由于位相与距离x有线性关系 φ =mx+x0
用最小二乘法进行线性拟合，
反射镜移动距离为∆x，则光程差为2∆x，光强调制波频 可得到光速 率为f，则光速为
2x c 4 fx 1 (2 f )
2f c 360 m
1
实验原理
1.用示波器测量介质折射率
n3 考虑各向同性介质，折射率的改变为 n pS (S为应变量，p为声光系数） 2 当声波为行波时 当声波为驻波时
S S0 sin(s ks x)
3 s n 其中 s 为声波圆频率， s n pS0 ks 2
S S0 sin s sinks x n( x, t ) n0 n sin st cosks x