光速測(cè)量的方法完整版

1、welcome速光旅索之光之旅索速探光速的測(cè)量歷史光速光速的測(cè)定在光學(xué)的發(fā)展史上的測(cè)定在光學(xué)的發(fā)展史上具有非常特殊而重要的意義。它具有非常特殊而重要的意義。它不僅推動(dòng)了光學(xué)實(shí)驗(yàn)，也打破了不僅推動(dòng)了光學(xué)實(shí)驗(yàn)，也打破了光速無(wú)限的傳統(tǒng)觀念；在物理學(xué)光速無(wú)限的傳統(tǒng)觀念；在物理學(xué)理論研究的發(fā)展里程中，它不僅理論研究的發(fā)展里程中，它不僅為粒子說(shuō)和波動(dòng)說(shuō)的爭(zhēng)論提供了為粒子說(shuō)和波動(dòng)說(shuō)的爭(zhēng)論提供了判定的依據(jù)，而且最終推動(dòng)了愛(ài)判定的依據(jù)，而且最終推動(dòng)了愛(ài)因斯坦相對(duì)論理論的發(fā)展。因斯坦相對(duì)論理論的發(fā)展。速光旅探之索一、一、伽伽利利略略測(cè)測(cè)量量光光速速 1607年伽利略最早做了測(cè)定光速的嘗試：讓兩個(gè)實(shí)驗(yàn)者在夜間每人各

2、帶一盞遮蔽著的燈，站在相距約1.6km的兩個(gè)山頂上，第一個(gè)實(shí)驗(yàn)者先打開(kāi)燈，同時(shí)記下開(kāi)燈的時(shí)間，第二個(gè)實(shí)驗(yàn)者看到傳來(lái)的燈光后，立刻打開(kāi)自己的燈，第一個(gè)實(shí)驗(yàn)者看到第二個(gè)實(shí)驗(yàn)者的燈光后，再立刻記下時(shí)間然后根據(jù)記下的時(shí)間間隔和兩山頂間的距離計(jì)算出光的傳播速度光旅索探之速這種測(cè)量光速的方法，原理雖然正確，但是卻沒(méi)能測(cè)出光速，這是因?yàn)楣馑俸艽?，在相距約1.6km的兩山頂間來(lái)回一次，所用的時(shí)間大約只有十萬(wàn)分之一秒，這樣短的時(shí)間，比實(shí)驗(yàn)者的反應(yīng)時(shí)間短得多，即使有比較精密的計(jì)時(shí)儀器也測(cè)不出光速來(lái)，更不用說(shuō)當(dāng)時(shí)的原始計(jì)時(shí)裝置了二、二、天天文文方方法法測(cè)測(cè)量量1、1676年，丹麥天文學(xué)家年，丹麥天文學(xué)家第一次提第一

3、次提出了有效的光速測(cè)量方法。他在出了有效的光速測(cè)量方法。他在觀測(cè)木星觀測(cè)木星的的衛(wèi)星的隱食周期時(shí)發(fā)現(xiàn)：在一年的不同時(shí)期，衛(wèi)星的隱食周期時(shí)發(fā)現(xiàn)：在一年的不同時(shí)期，它們的周期有所不同；在地球處于太陽(yáng)和木它們的周期有所不同；在地球處于太陽(yáng)和木星之間時(shí)的周期與太陽(yáng)處于地球和木星之間星之間時(shí)的周期與太陽(yáng)處于地球和木星之間時(shí)的周期相差十四五天。他認(rèn)為這種現(xiàn)象是時(shí)的周期相差十四五天。他認(rèn)為這種現(xiàn)象是由于光具有速度造成的，而且他還推斷出光由于光具有速度造成的，而且他還推斷出光跨越地球軌道所需要的時(shí)間是跨越地球軌道所需要的時(shí)間是22分鐘。分鐘。1676年年9月，羅麥預(yù)言預(yù)計(jì)月，羅麥預(yù)言預(yù)計(jì)11月月9日上午日上午

4、5點(diǎn)點(diǎn)25分分45秒發(fā)生的木衛(wèi)食將推遲秒發(fā)生的木衛(wèi)食將推遲10分鐘。巴黎天文分鐘。巴黎天文臺(tái)的科學(xué)家們懷著將信將疑的態(tài)度，觀測(cè)并臺(tái)的科學(xué)家們懷著將信將疑的態(tài)度，觀測(cè)并最終證實(shí)了羅麥的預(yù)言。最終證實(shí)了羅麥的預(yù)言。二、二、天天文文方方法法測(cè)測(cè)量量惠更斯根據(jù)羅麥提出的數(shù)據(jù)和地球的半徑第一次計(jì)算出了光的傳播速度：214000千米/秒。雖然這個(gè)數(shù)值與目前測(cè)得的最精確的數(shù)據(jù)相差甚遠(yuǎn)，但他啟發(fā)了惠更斯對(duì)波動(dòng)說(shuō)的研究；更重要的是這個(gè)結(jié)果的錯(cuò)誤不在于方法的錯(cuò)誤，只是源于羅麥對(duì)光跨越地球的時(shí)間的錯(cuò)誤推測(cè)，現(xiàn)代用羅麥的方法經(jīng)過(guò)各種校正后得出的結(jié)果是298000千米/秒，很接近于現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)室所測(cè)定的精確數(shù)值。二、二、天

5、天文文方方法法測(cè)測(cè)量量2、1725年，英國(guó)天文學(xué)家布萊德年，英國(guó)天文學(xué)家布萊德雷發(fā)現(xiàn)了恒星的雷發(fā)現(xiàn)了恒星的“光行差光行差”現(xiàn)象，現(xiàn)象，以意外的方式證實(shí)了羅麥的理論。以意外的方式證實(shí)了羅麥的理論。剛開(kāi)始時(shí)，他無(wú)法解釋這一現(xiàn)象，剛開(kāi)始時(shí)，他無(wú)法解釋這一現(xiàn)象，直到直到1728年，他在坐船時(shí)受到風(fēng)向年，他在坐船時(shí)受到風(fēng)向與船航向的相對(duì)關(guān)系的啟發(fā)，認(rèn)識(shí)與船航向的相對(duì)關(guān)系的啟發(fā)，認(rèn)識(shí)到光的傳播速度與地球公轉(zhuǎn)共同引到光的傳播速度與地球公轉(zhuǎn)共同引起了起了“光行差光行差”的現(xiàn)象。他用地球的現(xiàn)象。他用地球公轉(zhuǎn)的速度與光速的比例估算出了公轉(zhuǎn)的速度與光速的比例估算出了太陽(yáng)光到達(dá)地球需要太陽(yáng)光到達(dá)地球需要8分分13秒。

6、這秒。這個(gè)數(shù)值較羅麥法測(cè)定的要精確一些。個(gè)數(shù)值較羅麥法測(cè)定的要精確一些。菜德雷測(cè)定值證明了羅麥有關(guān)光速菜德雷測(cè)定值證明了羅麥有關(guān)光速有限性的說(shuō)法。有限性的說(shuō)法。光之旅索速探1、1849年，法國(guó)人菲索第一次在地面上年，法國(guó)人菲索第一次在地面上設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置來(lái)測(cè)定光速。他的方法原理與設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置來(lái)測(cè)定光速。他的方法原理與伽利略的相類似。他將一個(gè)點(diǎn)光源放在透鏡伽利略的相類似。他將一個(gè)點(diǎn)光源放在透鏡的焦點(diǎn)處，在透鏡與光源之間放一個(gè)齒輪，的焦點(diǎn)處，在透鏡與光源之間放一個(gè)齒輪，在透鏡的另一測(cè)較遠(yuǎn)處依次放置另一個(gè)透鏡在透鏡的另一測(cè)較遠(yuǎn)處依次放置另一個(gè)透鏡和一個(gè)平面鏡，平面鏡位于第二個(gè)透鏡的焦和一個(gè)平面鏡，平面

7、鏡位于第二個(gè)透鏡的焦點(diǎn)處。點(diǎn)光源發(fā)出的光經(jīng)過(guò)齒輪和透鏡后變點(diǎn)處。點(diǎn)光源發(fā)出的光經(jīng)過(guò)齒輪和透鏡后變成平行光，平行光經(jīng)過(guò)第二個(gè)透鏡后又在平成平行光，平行光經(jīng)過(guò)第二個(gè)透鏡后又在平面鏡上聚于一點(diǎn)，在平面鏡上反射后按原路面鏡上聚于一點(diǎn)，在平面鏡上反射后按原路返回。由于齒輪有齒隙和齒，當(dāng)光通過(guò)齒隙返回。由于齒輪有齒隙和齒，當(dāng)光通過(guò)齒隙時(shí)觀察者就可以看到返回的光，當(dāng)光恰好遇時(shí)觀察者就可以看到返回的光，當(dāng)光恰好遇到齒時(shí)就會(huì)被遮住。從開(kāi)始到返回的光第一到齒時(shí)就會(huì)被遮住。從開(kāi)始到返回的光第一次消失的時(shí)間就是光往返一次所用的時(shí)間，次消失的時(shí)間就是光往返一次所用的時(shí)間，根據(jù)齒輪的轉(zhuǎn)速，這個(gè)時(shí)間不難求出。通過(guò)根據(jù)齒輪的

8、轉(zhuǎn)速，這個(gè)時(shí)間不難求出。通過(guò)這種方法，菲索測(cè)得的光速是這種方法，菲索測(cè)得的光速是315000千米千米/秒。由于齒輪有一定的寬度，用這種方法很秒。由于齒輪有一定的寬度，用這種方法很難精確的測(cè)出光速。難精確的測(cè)出光速。速光旅探之索 2、1850年，法國(guó)物理學(xué)家傅科年，法國(guó)物理學(xué)家傅科改進(jìn)了菲索的方法，他只用一個(gè)透改進(jìn)了菲索的方法，他只用一個(gè)透鏡、一面旋轉(zhuǎn)的平面鏡和一個(gè)凹面鏡、一面旋轉(zhuǎn)的平面鏡和一個(gè)凹面鏡。平行光通過(guò)旋轉(zhuǎn)的平面鏡匯聚鏡。平行光通過(guò)旋轉(zhuǎn)的平面鏡匯聚到凹面鏡的圓心上，同樣用平面鏡到凹面鏡的圓心上，同樣用平面鏡的轉(zhuǎn)速可以求出時(shí)間。傅科用這種的轉(zhuǎn)速可以求出時(shí)間。傅科用這種方法測(cè)出的光速是方法

9、測(cè)出的光速是298000千米千米/秒。秒。另外傅科還測(cè)出了光在水中的傳播另外傅科還測(cè)出了光在水中的傳播速度，通過(guò)與光在空氣中傳播速度速度，通過(guò)與光在空氣中傳播速度的比較，他測(cè)出了光由空氣中射入的比較，他測(cè)出了光由空氣中射入水中的折射率。這個(gè)實(shí)驗(yàn)在微粒說(shuō)水中的折射率。這個(gè)實(shí)驗(yàn)在微粒說(shuō)已被波動(dòng)說(shuō)推翻之后，又一次對(duì)微已被波動(dòng)說(shuō)推翻之后，又一次對(duì)微粒說(shuō)做出了判決，給光的微粒理論粒說(shuō)做出了判決，給光的微粒理論帶了最后的沖擊。帶了最后的沖擊。光旅索探之速四、四、新新方方法法測(cè)測(cè)量量光光速速 1928年，卡婁拉斯和米太斯塔德首先提出利用年，卡婁拉斯和米太斯塔德首先提出利用克爾盒法來(lái)測(cè)定光速。克爾盒法來(lái)測(cè)定光

10、速。1951年，貝奇斯傳德用年，貝奇斯傳德用這種方法測(cè)出的光速是這種方法測(cè)出的光速是299793千米千米/秒。秒。1950年，艾森提出了用空腔共振法來(lái)測(cè)量光速。年，艾森提出了用空腔共振法來(lái)測(cè)量光速。這種方法的原理是，微波通過(guò)空腔時(shí)當(dāng)它的頻這種方法的原理是，微波通過(guò)空腔時(shí)當(dāng)它的頻率為某一值時(shí)發(fā)生共振。根據(jù)空腔的長(zhǎng)度可以率為某一值時(shí)發(fā)生共振。根據(jù)空腔的長(zhǎng)度可以求出共振腔的波長(zhǎng)，在把共振腔的波長(zhǎng)換算成求出共振腔的波長(zhǎng)，在把共振腔的波長(zhǎng)換算成光在真空中的波長(zhǎng)，由波長(zhǎng)和頻率可計(jì)算出光光在真空中的波長(zhǎng)，由波長(zhǎng)和頻率可計(jì)算出光速。速。當(dāng)代計(jì)算出的最精確的光速都是通過(guò)波長(zhǎng)和頻當(dāng)代計(jì)算出的最精確的光速都是通過(guò)波

11、長(zhǎng)和頻率求得的。率求得的。1958年，弗魯姆求出光速的精確值：年，弗魯姆求出光速的精確值：299792.50.1千米千米/秒。秒。1972年，埃文森測(cè)得年，埃文森測(cè)得了目前真空中光速的最佳數(shù)值：了目前真空中光速的最佳數(shù)值：299792457.40.1米米/秒。秒。一、一、邁邁克克爾爾孫孫的的光光速速測(cè)測(cè)量量方方法法 如圖所示是邁克爾遜用如圖所示是邁克爾遜用轉(zhuǎn)動(dòng)八面鏡法測(cè)光速的轉(zhuǎn)動(dòng)八面鏡法測(cè)光速的實(shí)驗(yàn)示意圖，圖中實(shí)驗(yàn)示意圖，圖中S為為發(fā)光點(diǎn)，發(fā)光點(diǎn)，T是望遠(yuǎn)鏡，是望遠(yuǎn)鏡，平面鏡平面鏡O與凹面鏡與凹面鏡B構(gòu)成構(gòu)成了反射系統(tǒng)。八面鏡距了反射系統(tǒng)。八面鏡距反射系統(tǒng)的距離為反射系統(tǒng)的距離為ABL（L可長(zhǎng)

12、達(dá)幾十千米），可長(zhǎng)達(dá)幾十千米），且遠(yuǎn)大于且遠(yuǎn)大于OB以及以及S和和T到八面鏡的距離?，F(xiàn)使到八面鏡的距離?，F(xiàn)使八面鏡轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)，并緩八面鏡轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)，并緩慢增大其轉(zhuǎn)速，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)慢增大其轉(zhuǎn)速，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)頻率達(dá)到頻率達(dá)到f0并可認(rèn)為是并可認(rèn)為是勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，恰能在望勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，恰能在望遠(yuǎn)鏡中第一次看見(jiàn)發(fā)光遠(yuǎn)鏡中第一次看見(jiàn)發(fā)光點(diǎn)點(diǎn)S，由此邁克爾遜測(cè)，由此邁克爾遜測(cè)出光速出光速c。 c=2L（21/81/fo) =8Lfo/ 如果在如果在望遠(yuǎn)鏡望遠(yuǎn)鏡中能看到中能看到發(fā)光點(diǎn)發(fā)光點(diǎn)，則說(shuō)，則說(shuō)明，光線由發(fā)光點(diǎn)發(fā)出明，光線由發(fā)光點(diǎn)發(fā)出后，經(jīng)過(guò)八面鏡，后，經(jīng)過(guò)八面鏡，凹面凹面鏡鏡和和平面鏡平面鏡的反射，也的反射，也就經(jīng)過(guò)圖

13、中的路線，即就經(jīng)過(guò)圖中的路線，即走了走了2L的距離，此時(shí)八的距離，此時(shí)八面鏡正好轉(zhuǎn)動(dòng)了面鏡正好轉(zhuǎn)動(dòng)了1/8周。周。這段時(shí)間是這段時(shí)間是21/81/fo ，fo是是八面鏡的頻率。八面鏡的頻率。 光之旅索速探二、二、光拍光拍測(cè)量測(cè)量光速光速 根據(jù)振動(dòng)疊加原理，兩列速度根據(jù)振動(dòng)疊加原理，兩列速度相同、振面相同、頻率較小而相同、振面相同、頻率較小而同向傳播的簡(jiǎn)諧波疊加即形成同向傳播的簡(jiǎn)諧波疊加即形成拍。拍。 若有振幅相同為若有振幅相同為E0、圓頻率分、圓頻率分別為別為1和和2（頻差（頻差=1-2較?。┑膬闪醒剌^?。┑膬闪醒豿軸方向傳軸方向傳播的平面光波：播的平面光波： 若這兩列光的偏振方向相同，若這兩

14、列光的偏振方向相同，則疊加后的總場(chǎng)為：則疊加后的總場(chǎng)為：22cos22cos2221221021cxtcxtEEEE 上式是沿x軸方向的前進(jìn)波，其圓頻率為 ，振幅為： 12222cos2210cxtE速光旅探之索二、二、光光拍拍測(cè)測(cè)量量光光速速 E的振幅是時(shí)間和空間的函數(shù)，以 頻率周期性的變化，稱這種低頻率的行波為光拍頻波， 就是拍頻,振幅的空間分布周期就是拍頻波長(zhǎng).2/21ff E1+E2 12122 cos22xEtc光旅索探之速二、二、光光拍拍測(cè)測(cè)量量光光速速 用光電探測(cè)器接收光的頻波，探測(cè)器光敏面上光照反應(yīng)與光強(qiáng)（即電場(chǎng)強(qiáng)度的平方）成反比。由于光波頻率f0高達(dá)1014Hz，光敏面來(lái)不及

15、反映如此快的光強(qiáng)變化，迄今為止能反映頻率108Hz左右的光強(qiáng)變化（其響應(yīng)時(shí)間為10-8秒）。因此，任何探測(cè)器所產(chǎn)生的光電流只能是在響應(yīng)時(shí)間 內(nèi)的平均值。ff11 式中g(shù)為探測(cè)器的光電轉(zhuǎn)換常數(shù)， 是與拍頻 相應(yīng)的圓頻率，為初相位。在某一時(shí)刻，光電流i的空間分布( )為正弦波，x方向上兩相鄰波谷之間的距離為 ，探測(cè)器輸出的光電流含有直流和光拍信號(hào)兩種成分。將直流成分濾掉，即得頻率為拍頻 光拍信號(hào)。fcfixf2120cos1txtgEi二、二、光光拍拍測(cè)測(cè)量量光光速速 光拍信號(hào)的位相又與空間位置x有關(guān)，即處在不同位置的探測(cè)器所輸出的光拍信號(hào)具有不同的位相。設(shè)空間某兩點(diǎn)之間的光程差為 ，該兩點(diǎn)的光拍

16、信號(hào)的位相差為 ，根據(jù)上式應(yīng)有：LcLfcL2二、二、光光拍拍測(cè)測(cè)量量光光速速 如果將光拍頻波分為兩路，使其通過(guò)不同的光程后如射同一光電探測(cè)器，則該探測(cè)器所輸出的兩個(gè)光拍信號(hào)的位相差 與兩路的光程差 之間的關(guān)系仍由上式確定。當(dāng) 時(shí), 即光程差恰為光拍波長(zhǎng)，有： 只要測(cè)定了 和 ，即可確定光速c。L2Lfcf三、三、光光纖纖中中光光速速的的測(cè)測(cè)量量 在通常的光纖光速測(cè)量系統(tǒng)中，對(duì)被測(cè)光波均在通常的光纖光速測(cè)量系統(tǒng)中，對(duì)被測(cè)光波均采用正弦信號(hào)對(duì)光強(qiáng)進(jìn)行調(diào)制。在此情況下，采用正弦信號(hào)對(duì)光強(qiáng)進(jìn)行調(diào)制。在此情況下，為了測(cè)出調(diào)制光信號(hào)通過(guò)一定長(zhǎng)度光纖后引起為了測(cè)出調(diào)制光信號(hào)通過(guò)一定長(zhǎng)度光纖后引起的相位差，

17、這里提出一種采用方波調(diào)制信號(hào)，的相位差，這里提出一種采用方波調(diào)制信號(hào)，應(yīng)用具有異或邏輯功能的門電路進(jìn)行相差測(cè)量應(yīng)用具有異或邏輯功能的門電路進(jìn)行相差測(cè)量的巧妙方法。由這種電路所組成的相位檢測(cè)器的巧妙方法。由這種電路所組成的相位檢測(cè)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、相位結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、相位電壓特性穩(wěn)定。電壓特性穩(wěn)定。 光導(dǎo)纖維的結(jié)構(gòu)如圖光導(dǎo)纖維的結(jié)構(gòu)如圖1示，它由纖芯示，它由纖芯和包層兩部分組成，纖芯半徑為和包層兩部分組成，纖芯半徑為，折射率為折射率為n1（p），包層的外半徑為），包層的外半徑為b，折射率為折射率為n2，且，且n1(p) n2 當(dāng)光波在光纖維中傳播時(shí)，光導(dǎo)纖維就當(dāng)光波在光纖維中傳播時(shí)，光導(dǎo)

18、纖維就起著一種光波導(dǎo)的作用。應(yīng)用電磁場(chǎng)理起著一種光波導(dǎo)的作用。應(yīng)用電磁場(chǎng)理論中矢量和論中矢量和H矢量應(yīng)遵從的麥克士威矢量應(yīng)遵從的麥克士威爾方程及它們?cè)谛纠w和包層面處應(yīng)滿足爾方程及它們?cè)谛纠w和包層面處應(yīng)滿足的邊界條件可知：在光導(dǎo)纖維中主要存的邊界條件可知：在光導(dǎo)纖維中主要存在著兩大類電磁場(chǎng)形態(tài)。一類是沿光纖在著兩大類電磁場(chǎng)形態(tài)。一類是沿光纖橫載面呈駐波狀，而沿光導(dǎo)纖維軸線方橫載面呈駐波狀，而沿光導(dǎo)纖維軸線方向?yàn)樾胁ǖ碾姶艌?chǎng)形態(tài)，這種形態(tài)的電向?yàn)樾胁ǖ碾姶艌?chǎng)形態(tài)，這種形態(tài)的電磁場(chǎng)其能量沿橫向不會(huì)輻射，只沿軸線磁場(chǎng)其能量沿橫向不會(huì)輻射，只沿軸線方向傳播，故稱這類電磁場(chǎng)形態(tài)為傳導(dǎo)方向傳播，故稱這類電磁

19、場(chǎng)形態(tài)為傳導(dǎo)模式；另一類電磁場(chǎng)形態(tài)其能量在軸線模式；另一類電磁場(chǎng)形態(tài)其能量在軸線方向傳播的同時(shí)沿橫向方向也有輻射，方向傳播的同時(shí)沿橫向方向也有輻射，這類電磁場(chǎng)形態(tài)稱為輻射模。這類電磁場(chǎng)形態(tài)稱為輻射模。 利用光導(dǎo)纖維來(lái)傳輸光信息時(shí)就是依靠光纖中利用光導(dǎo)纖維來(lái)傳輸光信息時(shí)就是依靠光纖中的傳導(dǎo)模式。隨著光導(dǎo)纖維芯徑的傳導(dǎo)模式。隨著光導(dǎo)纖維芯徑的增加，光的增加，光導(dǎo)纖維中允許存在的傳導(dǎo)模式的數(shù)量也會(huì)增多，導(dǎo)纖維中允許存在的傳導(dǎo)模式的數(shù)量也會(huì)增多，纖芯中存在多個(gè)傳導(dǎo)模式的光纖稱為多模光纖；纖芯中存在多個(gè)傳導(dǎo)模式的光纖稱為多模光纖；當(dāng)光纖芯徑小到某一程度后，纖芯中只允許稱當(dāng)光纖芯徑小到某一程度后，纖芯中只

20、允許稱為基模的一種電磁場(chǎng)形態(tài)存在，這種光纖就稱為基模的一種電磁場(chǎng)形態(tài)存在，這種光纖就稱為單模光纖。為單模光纖。目前光纖通訊系統(tǒng)上使用的多模目前光纖通訊系統(tǒng)上使用的多模光纖纖芯直徑為光纖纖芯直徑為50m，包層外徑為，包層外徑為125m。單模光纖的芯徑為單模光纖的芯徑為510m范圍內(nèi)，包層外范圍內(nèi)，包層外徑也為徑也為125m。在纖芯范圍內(nèi)折射率不隨徑。在纖芯范圍內(nèi)折射率不隨徑向坐標(biāo)向坐標(biāo)變化，即變化，即n1（p）= n1=常數(shù)的光纖，常數(shù)的光纖，稱為階躍型光纖，否則稱漸變型光纖。稱為階躍型光纖，否則稱漸變型光纖。 三、三、光光纖纖中中光光速速的的測(cè)測(cè)量量 當(dāng)一束由光導(dǎo)纖維的入射端耦合到光導(dǎo)纖維內(nèi)當(dāng)

21、一束由光導(dǎo)纖維的入射端耦合到光導(dǎo)纖維內(nèi)部之后，會(huì)在光纖內(nèi)同時(shí)激勵(lì)起傳導(dǎo)模式和輻部之后，會(huì)在光纖內(nèi)同時(shí)激勵(lì)起傳導(dǎo)模式和輻射模式，但經(jīng)過(guò)一段傳輸距離，輻射模的電磁射模式，但經(jīng)過(guò)一段傳輸距離，輻射模的電磁場(chǎng)能量沿橫向方向輻射盡后，只剩下傳導(dǎo)模式場(chǎng)能量沿橫向方向輻射盡后，只剩下傳導(dǎo)模式沿光纖軸線方向繼續(xù)傳播，在傳播過(guò)程中只會(huì)沿光纖軸線方向繼續(xù)傳播，在傳播過(guò)程中只會(huì)因光導(dǎo)纖維纖芯材料的雜質(zhì)和密度不均引起的因光導(dǎo)纖維纖芯材料的雜質(zhì)和密度不均引起的吸收損耗和散射損耗外，不會(huì)有輻射損耗。目吸收損耗和散射損耗外，不會(huì)有輻射損耗。目前的制造工藝能使光導(dǎo)纖維的吸收和散射損耗前的制造工藝能使光導(dǎo)纖維的吸收和散射損耗做

22、到很小的程度，所以傳導(dǎo)模式的電磁場(chǎng)能在做到很小的程度，所以傳導(dǎo)模式的電磁場(chǎng)能在光纖中傳輸很遠(yuǎn)的距離。光纖中傳輸很遠(yuǎn)的距離。 根據(jù)理論分析，光導(dǎo)纖維中光速的表達(dá)式可近根據(jù)理論分析，光導(dǎo)纖維中光速的表達(dá)式可近似為：似為： 其中其中C 是光波在自由空間中的傳播速度是光波在自由空間中的傳播速度1ncVz三、三、光纖中光速光纖中光速的測(cè)量的測(cè)量圖是測(cè)定光導(dǎo)纖維中光速的圖是測(cè)定光導(dǎo)纖維中光速的實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)裝置的方框結(jié)構(gòu)圖裝置的方框結(jié)構(gòu)圖圖中各部分的功能分別是：圖中各部分的功能分別是：時(shí)鐘信號(hào)源：由高電平時(shí)鐘信號(hào)源：由高電平“1”和低電平和低電平“0”構(gòu)成的周構(gòu)成的周期信號(hào)；期信號(hào)；LED：發(fā)光二極管，把電信號(hào)

23、轉(zhuǎn)換為光信號(hào)；：發(fā)光二極管，把電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)；光纖：只能傳輸光信號(hào)；光纖：只能傳輸光信號(hào)；SPD：光電二極管，把光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，可制：光電二極管，把光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，可制作成光功率計(jì)；作成光功率計(jì)；檢測(cè)儀器包括示波器和相位檢測(cè)器，檢測(cè)儀器包括示波器和相位檢測(cè)器，示波器：觀察再生信號(hào)的波形，與示波器：觀察再生信號(hào)的波形，與“再生調(diào)節(jié)再生調(diào)節(jié)”旋鈕配合，旋鈕配合，使再生信號(hào)與時(shí)鐘信號(hào)源的時(shí)鐘信號(hào)同周期；測(cè)量這兩種信使再生信號(hào)與時(shí)鐘信號(hào)源的時(shí)鐘信號(hào)同周期；測(cè)量這兩種信號(hào)的延時(shí)；號(hào)的延時(shí)；相位檢測(cè)器：配合示波器使用，當(dāng)由示波器觀察到再生信號(hào)相位檢測(cè)器：配合示波器使用，當(dāng)由示波器觀察到再生信號(hào)

24、與時(shí)鐘信號(hào)源的時(shí)鐘信號(hào)同周期時(shí)，測(cè)量?jī)尚盘?hào)的相位差，與時(shí)鐘信號(hào)源的時(shí)鐘信號(hào)同周期時(shí)，測(cè)量?jī)尚盘?hào)的相位差，用以更精確計(jì)算延時(shí)；用以更精確計(jì)算延時(shí)；生電路：把光電二極管轉(zhuǎn)換出的電信號(hào)還原為與時(shí)鐘信號(hào)源生電路：把光電二極管轉(zhuǎn)換出的電信號(hào)還原為與時(shí)鐘信號(hào)源同周期的時(shí)鐘信號(hào)同周期的時(shí)鐘信號(hào)由調(diào)制信號(hào)源提供的周期為由調(diào)制信號(hào)源提供的周期為 T，占空比為，占空比為50%的方波時(shí)鐘信號(hào)的方波時(shí)鐘信號(hào)對(duì)半導(dǎo)體發(fā)光二極管對(duì)半導(dǎo)體發(fā)光二極管LED的發(fā)光光強(qiáng)進(jìn)行調(diào)制，調(diào)制后的光信的發(fā)光光強(qiáng)進(jìn)行調(diào)制，調(diào)制后的光信號(hào)經(jīng)光導(dǎo)纖維、光電檢測(cè)器件和信號(hào)再生電路再次變換成一個(gè)號(hào)經(jīng)光導(dǎo)纖維、光電檢測(cè)器件和信號(hào)再生電路再次變換成一個(gè)

25、周期為周期為T、占空比為、占空比為50%的方波序列，但這一方波序列相對(duì)于的方波序列，但這一方波序列相對(duì)于調(diào)制信號(hào)源輸出的原始方波序列有一定的延時(shí)，這一延時(shí)包括調(diào)制信號(hào)源輸出的原始方波序列有一定的延時(shí)，這一延時(shí)包括了了LED驅(qū)動(dòng)與調(diào)制電路和光電轉(zhuǎn)換及信號(hào)再生電路引起的延時(shí)，驅(qū)動(dòng)與調(diào)制電路和光電轉(zhuǎn)換及信號(hào)再生電路引起的延時(shí)，也含有我們要測(cè)定的調(diào)制光信號(hào)在給定長(zhǎng)度光纖中所經(jīng)歷的時(shí)也含有我們要測(cè)定的調(diào)制光信號(hào)在給定長(zhǎng)度光纖中所經(jīng)歷的時(shí)間在內(nèi)。間在內(nèi)。 實(shí)驗(yàn)中采用實(shí)驗(yàn)中采用“雙光纖比較法雙光纖比較法”，分別分別測(cè)出信號(hào)通過(guò)、的延時(shí)，則有：測(cè)出信號(hào)通過(guò)、的延時(shí)，則有：2121zV1、測(cè)試、測(cè)試原理原理速光

26、旅探之索三、三、光光纖纖中中光光速速的的測(cè)測(cè)量量2、相差測(cè)量方法 如果把再生信號(hào)和作為參考信號(hào)的原始調(diào)制信號(hào)接到一如果把再生信號(hào)和作為參考信號(hào)的原始調(diào)制信號(hào)接到一個(gè)具有異或邏輯功能的邏輯電路的兩個(gè)輸入端，則在個(gè)具有異或邏輯功能的邏輯電路的兩個(gè)輸入端，則在0的相移所對(duì)應(yīng)的延時(shí)范圍（即的相移所對(duì)應(yīng)的延時(shí)范圍（即0T/2）內(nèi)，該電）內(nèi)，該電路的輸出波形就是一個(gè)周期為路的輸出波形就是一個(gè)周期為T/2，但脈寬與以上兩路，但脈寬與以上兩路信號(hào)的相對(duì)延時(shí)成正比的方脈沖序列（如圖示），這一信號(hào)的相對(duì)延時(shí)成正比的方脈沖序列（如圖示），這一脈沖序列的直流分量的電平值就與以上兩路輸入信號(hào)的脈沖序列的直流分量的電平值就與以上兩路輸入信號(hào)的相對(duì)延時(shí)成正變關(guān)系。用示波器可觀察到異或門輸出的相對(duì)延時(shí)成正變關(guān)系。用示波器可觀察到異或門輸出的占空比隨延