相位法光速测量
光速测量的方法
有振幅A相同，频率分别为f1和f2(较小频差Δf = f1 - f2)的两列光波
E1 = Acos(ω1t - k1x +φ1)
E2 = Acos(ω2t - k2x +φ2)
式中k1 = 2π/λ1, k2 = 2π/λ2为波数，φ1和φ2为初相位，两列波叠加得E = E1+E2其中合成波的角频率为(ω1+ω2)/2 ,振幅为2Acos[(ω1-ω2)(t-x/c)/2 + (φ1-φ2)/2]是时间和空间的函数，他是带有低频调制的高频波，以频率Δf = (ω1-ω2)/2π周期性的变化，这种低频行波为光拍频波，Δf即为拍频，如图所示。
用相位法测量，在测量位相过程中，当信号频率很高时，测相位困难较大。因为测相系统的稳定性、工作速度以及电路分布函数造成的附加相移等因素都会直接影响测量精度，采用差频的方法，就可避免高频下测相的困难。因此需要把高频信号转化为中、低频信号。本实验是应用电子技术对光波进行调制，利用已知波长而被调制的波信号和作为基准的波的信号形成的相位差，计量光波在经过Δx光程所需的时间，从而简便地测定光在空气中的速率。具体的方法和原理如下：
实验装置如图所示，其中M1,M2,M3,M4,M5,M7,M8均为全反射镜。光源L发出的光用克尔盒K调制成强度按正弦曲线变化的光束，其频率为19.2MHz.半透明镜M6使该光束分成两路，一路经M3反射到光电池P，另一路经M1，M7和M5也反射到光电池P。设M1，M7和M5之间的光程为S，M1和M6之间的光程为x，M3和M6之间的光程为y。如果两路光程差恰为半波长的奇数倍，则P接收到的光信号为极小，并有关系式
如图所示，微波源是频率为36.003GHz的振荡器，其输出进入两个频率调谐在72.006GHz的硅晶体谐波发生器。一个谐波发生器是为测量仪器周围空气折射率的折射仪工作，另一个谐波发生器的输出导向到分束器中。微波由此分束器分成两束传输出去，并被活动支架上的喇叭接受。把两个接受喇叭接收到的信号混合起来便产生干涉，活动支架每移动半个波长合成的结果便经过一个最小值。活动支架的位移为970个半波长，他是由光波长度标测定的。这样得到的微波波长乘以空气折射率和微波频率就给出了微波在真空中的相速度。这种干涉仪的重要特点是用一个空腔谐振折射仪直接测量干涉仪附近的空气折射率。频率测量的精确度至少可达10-8。
相位法光速测量
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。
二、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2π为周期变化的。
表达式为：I=I 0[1+mcos2πf （t-x/t ）] (1)式中m 为调制度，cos2πf （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x 1和x 2，当这两点之间的距离为调制波波长λ的整数倍时，该两点间的相位差为：212()/2x x n φπλπ-∆== （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2D。
则A'点相对于A点的相移为ϕ=wt=2πft,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→→所走过的光程为2D，而且在A点反射波的位相落后ϕ=wt。
A B A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。
图1位相法测波长原理图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G2产生的频率100MHz的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，该信号通过移相器 送入示波器Y轴。
光速的测量方法是什么
光速的测量方法是什么相信很多的人都知道光速是什么，但是大部分的人都不清楚光速是如何测量的?小编就和大家分享光速测量方法，来欣赏一下吧。
光速测量方法1.罗默的卫星蚀法光速的测量，首先在天文学上获得成功，这是因为宇宙广阔的空间提供了测量光速所需要的足够大的距离.早在1676年丹麦天文学家罗默(1644—1710)首先测量了光速.由于任何周期性的变化过程都可当作时钟，他成功地找到了离观察者非常遥远而相当准确的“时钟”，罗默在观察时所用的是木星每隔一定周期所出现的一次卫星蚀.他在观察时注意到：连续两次卫星蚀相隔的时间，当地球背离木星运动时，要比地球迎向木星运动时要长一些，他用光的传播速度是有限的来解释这个现象.光从木星发出(实际上是木星的卫星发出)，当地球离开木星运动时，光必须追上地球，因而从地面上观察木星的两次卫星蚀相隔的时间，要比实际相隔的时间长一些;当地球迎向木星运动时，这个时间就短一些.因为卫星绕木星的周期不大(约为1.75天)，所以上述时间差数，在最合适的时间(上图中地球运行到轨道上的A和A’两点时)不致超过15秒(地球的公转轨道速度约为30千米/秒).因此，为了取得可靠的结果，当时的观察曾在整年中连续地进行.罗默通过观察从卫星蚀的时间变化和地球轨道直径求出了光速.由于当时只知道地球轨道半径的近似值，故求出的光速只有214300km/s.这个光速值尽管离光速的准确值相差甚远，但它却是测定光速历史上的第一个记录.后来人们用照相方法测量木星卫星蚀的时间，并在地球轨道半径测量准确度提高后，用罗默法求得的光速为299840±60km/s.2.布莱德雷的光行差法1728年，英国天文学家布莱德雷(1693—1762)采用恒星的光行差法，再一次得出光速是一有限的物理量.布莱德雷在地球上观察恒星时，发现恒星的视位置在不断地变化，在一年之内，所有恒星似乎都在天顶上绕着半长轴相等的椭圆运行了一周.他认为这种现象的产生是由于恒星发出的光传到地面时需要一定的时间，而在此时间内，地球已因公转而发生了位置的变化.他由此测得光速为：C=299930千米/秒，这一数值与实际值比较接近。
浅析物理学中光速的测量方法
浅析物理学中光速的测量方法光速是一个非常重要的物理常量，它与力学、电磁学、光学及近代物理中的许多定理、定律都有着密不可分的关系，下面是搜集的一篇探究光速测量方法的，欢迎阅读借鉴。
光速是最重要的物理常数之一，光速值的精确测量关系到许多物理量值精确度的提高。
光速的测量在光学的研究历程中有着重要的意义，其测量精度的每一点提高都反映和促进了相应时期物理学的发展。
本文主要对天文学方法和利用精密仪器实验方法进行分析。
光速是一个非常重要的物理常量，它与力学、电磁学、光学及近代物理中的许多定理、定律都有着密不可分的关系，故光速的测定历来为物理学界所普遍重视。
伽利略1607年首次尝试测量光速。
(Fazeiu)利用旋转齿轮机构，测得光速值约为3.15×108m/s，是第一次在地球上测得的比较准确的值。
传统的光速测定的基本途径2条：一种是利用光是电磁波的性质，测出光波的波长和频率再算出光速。
由于可见光的频率高，波长短，测频技术难度非常大，所以目前实验使用的光速测量仪器大多利用示波器测量微小的时间间隔，这种测量归因于精密的仪器，而且其测量的也仅仅是光在光纤中的速度，而非真空中的速度。
并且实验中缺少动手操作的过程，仅仅是读取一些数据。
本文提出的光速测量设计性实验的思路是根据光的电磁波性质，用光学基础，通过测定RCL电路的谐振频率从而导出光速的表达式。
以前许多科学家们探索了光的测量方法，下面介绍了以前的几种测量方法。
测量光速的方法通常分为天文学方法和利用精密仪器测光速方法两大类。
2.2恒星光行差法：1728年英国的天文学家James.Bradley发现，在地球绕太阳运行的一年内所有的恒星在天空中画出长半轴相等的椭圆。
其中在横道面内的恒星所画的椭圆蜕化成一条直线，通过太阳且垂直于黄道面直线上的恒星所画的椭圆退化成一个圆，从地球上看这些椭圆长轴的张角等于40.9"，这种现象称为恒星的光行差。
这种现象是由于光的转播速度具有有限值而引起的。
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。
光子学技术的相位测量与光路校正方法分享
光子学技术的相位测量与光路校正方法分享光子学技术是一门研究光子（光的量子）以及应用光子的科学技术。
在现代通信、光学成像、量子计算等领域中，光子学技术发挥着重要作用。
其中，相位测量与光路校正是光子学技术中的重要内容之一。
本文将分享关于相位测量与光路校正的方法与技术。
相位测量是光子学技术中常见且重要的测量过程。
光的相位指的是波的状态，它描述了光波中的振荡过程。
相位测量可以帮助我们了解光的性质以及应用领域中的数据获取与处理。
在光子学技术中，有几种主要的相位测量方法。
1. Michelson干涉仪：Michelson干涉仪是一种常见的光学仪器，用于精确测量光程差。
这种干涉仪由一个光源、一个分束器以及两个镜面组成。
通过调整一个镜面的位置，可以在干涉图样中观察到明暗条纹的变化，从而测量光的相位差。
Michelson干涉仪常被应用于光学测量、光学传感等领域。
2. 同轴干涉测量法：同轴干涉测量法是一种用来测量相位差的方法。
它使用同一个光源经过两个不同的光学路径，再经过一个透镜汇聚到一块探测面上。
当光波经过不同路径后重新在探测面上叠加，通过分析干涉条纹的变化，可以得到相位差的测量结果。
同轴干涉测量法被广泛应用于微观结构的测量与表征中。
光路校正是光子学技术中的一个关键环节。
在实际应用中，由于光传输路径的存在，光的波前会受到各种因素的影响而发生变形。
为了保证光子学系统的性能与精度，我们需要对光路进行校正。
1. 基础校准方法：基础校准方法包括对光源、分束器、透镜、反射镜等光学元件的校准。
检查光源的位置、光的出射强度及频率是否满足要求；检查分束器的透射率与反射率是否合适；校准透镜、反射镜的位置与角度等。
通过这些基础校准，可以确保光学元件正常工作，提供准确的光路。
2. 自适应光学方法：自适应光学是一种能够实时校正光传输路径中扰动的方法。
它利用了自适应光学系统的反馈机制，在光路中引入一个用于检测光波相位的传感器，根据传感器获得的数据，实时调整光学元件的形状与位置，从而消除光路中的扰动。
光速的测定光的相速度和群速
随着光速测定技术的不断发展，其应用领域也将 不断拓展，有望在更多领域实现应用。
光速测定在科学研究中的应用前景
01
02
03
验证物理理论
光速的测定结果对于验证 物理理论具有重要意义， 例如验证相对论中的光速 不变原理等。
推动光学研究发展
光速的测定有助于推动光 学研究的发展，例如研究 光的传播特性、光的干涉 和衍射等现象。
群速的测量
脉冲延迟法
利用脉冲光在介质中传播时的延迟现象来测 量群速。通过测量脉冲光在介质中传播的时 间延迟，并根据光速与延迟时间的关系计算 群速。这种方法需要使用脉冲光源和高速探 测器等设备。
频率扫描法
通过改变光的频率并测量其在介质中的传播 速度来得到群速。使用可调谐激光器或光谱 仪等设备，在不同频率下测量光的传播速度， 并根据速度与频率的关系计算群速。
激光干涉法
利用激光的干涉现象来测量光速。将激光分为两路，一路作为参考光路，另一路经过待测距离后返回 与参考光路发生干涉，通过测量干涉条纹的移动来推算光速。
光纤法
利用光纤中光的传输特性来测量光速。将光信号通过光纤传输一段已知距离后，测量其传输时间并计 算光速。这种方法具有高精度和可重复性好的优点。
04 相速度和群速的测量技术
光速的测定光的相速度和群速
目 录
• 引言 • 光速测定的基本原理 • 光速测定的实验方法 • 相速度和群速的测量技术 • 光速测定在现代物理学中的应用 • 总结与展望
01 引言
光的速度概念
相速度
光在介质中传播时，其电磁波的 相位变化的速度，即相速度。相 速度与光的频率和介质的折射率 有关。
群速度
02 光速测定的基本原理
光的波动性质
相位差法测光速
相位差法测量光速光速是物理学中最重要的基本常数之一，也是各种频率的电磁波在真空中的传播速度，许多物理概念和物理量都与它有密切的联系，光速值的精确测量将关系到许多物理量值精确度的提高，所以长期以来对光速的测量一直是物理学家十分重视的课题。
许多光速测量方法巧妙的构思、高超的实验设计一直在启迪着后人的物理学研究。
光的偏转和调制，则为光速测量开辟了新的前景，并已成为当代光通信和光计算机技术的课题。
【目的与要求】1.掌握相位法测量光的传播速度。
2.了解调制和差频技术。
3.熟悉和掌握数字存储示波器的使用。
【原理】采用频率为f 的正弦型调制波，调制波长为0.65μm 的载波的强度，调制波在传播过程中其位相是以2π为周期变化的，表达式为：00cos(2()xI I I f t cπ=∆⋅⋅-＋(1)如光接收器和发射器的距离为s ∆，则光的传播延时为s t c∆∆= ， 其中c 为光速。
在s∆的距离上产生的相位差为22t f t Tφππ∆∆⋅⋅∆=⋅＝。
被光电检测器接收后变为电信号，该电信号被滤除直流后可表示为：cos(2)U a f t πφ=⋅⋅⋅-∆(2)可得光速：2s c f πφ∆=⋅⋅∆ (3)如果光的调制频率非常高，在短的传播距离s ∆内也会产生大的相位差φ∆。
如果光的调制频率60.000MHz f =，当5m s ∆＝时，就会使光信号的相位移达到一个周期 2φπ∆＝。
然而高频信号的测量和显示是非常不方便的，普通的教学示波器不能用于高频信号的相位差测量。
设在接收端还有一个高频信号59.900MHz f '=作为参考信号，表示为：cos(2)U a f t π'''=⋅⋅⋅(4)将U 和U '相乘得到：可见经乘法器后将得到和频60.00059.900119.000MHz f f '+＋＝＝及差频160.00059.900100KHz f f f '=--＝＝的混合信号。
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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。
二、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
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2π为周期变化的。
表达式为：
I=I 0[1+mcos2πf （t-x/t ）] (1)
式中m 为调制度，cos2πf （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x 1和x 2，当这两点之间的距离
为调制波波长λ的整数倍时，该两点间的相位差为：
212()/2x x n φπλπ-∆== （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2D。
则A'点相对于A点的相移为ϕ=wt=2πft,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→→所走过的光程为2D，而且在A点反射波的位相落后ϕ=wt。
A B A
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。
图1位相法测波长原理图
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G2产生的频率100MHz的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，该信号通过移相器 送入示波器Y轴。
与此同时，G2产生的100MHz的晶振信号送入混频器1，与加在该混频器上的由G1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：
①将探头菜单衰减系数设定为10X，并将探头上的开关设定为
10X；
②将示波器与高频发生电箱相连接；
③按下[AUTO]按钮；
④调整垂直[SCALE]旋钮使两路信号显示的幅值大约相等；
⑤按下水平控制区域的[MENU]菜单按钮以调出水平控制菜单；
⑥按下时基菜单按钮以选择[X-Y]；
⑦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，反射镜移动的距离为x∆，则光程差为2x∆。
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 x f f x
=∆=∆（3）
2/(1/2)4
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：
0mx x Φ=+ （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 Φ值，共测量若干组数据。
在数据处理中，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：
(2/)360c f m =⨯ （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23-（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1Φ；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2Φ，则有：
012()()/360F F n n L λ-=Φ-Φ （6） 式中0 1.0n =为空气折射率，λ为光调制波的波长。
所以：
12()/1201F F n L =Φ-Φ+ （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。