Измерения скорости света в земных условиях

Идея первых оптических измерений скорости света в земных условиях основана на получении коротких световых импульсов и измерении времени прохождения этими импульсами от наблюдателя до удаленного зеркала и обратно. Для получения коротких импульсов света удобно воспользоваться быстро вращающимся колесом с зубцами. Колесо помещают таким образом, чтобы зубцы периодически перекрывали световой пучок. За время прохождения светового импульса до зеркала и обратно зубчатое колесо должно успеть повернуться на один, два, три и т.д. зубца и перекрывать ось наблюдения. В результате при определенных фиксированных скоростях вращения колеса отраженный зеркалом сигнал исчезает.

Первая экспериментальная реализация этой идеи была осуществлена Физо в 1846 г.

В 1927 г. Майкельсон существенно усовершенствовал установку Физо и получил надежное значение скорости света с точностью до 6 знаков.

Рис. 9.6. Прибор Физо. Он нашел, что скорость света в воздухе равна 315300 ± 500 км/сек.

Рис. 9.7. Прибор Майкельсона. Результаты измерений: с = 299796 ± 4 км/сек.

В приборе Майкельсона для получения световых импульсов использовалась вращающаяся призма. Скорость вращения восьмигранной призмы с полированными гранями из стали достигала 500 оборотов в секунду. Частота вращения призмы точно измерялась с помощью камертона. В качестве источника света использовался военный прожектор.

Современные измерения скорости света.

В современных измерениях в качестве источника света используют лазер со стабилизацией частоты излучения, который может служить одновременно в качестве эталона и времени (частота излучения) и длины (длина волны излучения). Скорость света определяют как произведение длины волны и частоты излучения лазера

с = ln.

В современном лазере специальной конструкции стабильность частоты (и длины волны) излучения может достигать значений Dn/n = 10^-15. Поэтому независимые измерения частоты и длины волны такого источника света позволяют точно измерить скорость света.

Длину волны излучения лазера измеряли путем сравнения с эталонным метром, который определялся как 1,65076373 ×10⁶ длин волн в вакууме излучения стандартной криптоновой лампы на криптоне –86. Сравнение этих длин волн проводилось с помощью интерферометра Фабри-Перо. Длина волны излучения лазера равна 3,39231376 мкм с точностью 3,5×10^-9.

Прямые измерения частоты оптических колебаний находятся за пределами возможности электроники. Поэтому для таких измерений необходимо применять специальную методику – построить радио-оптический мост. Частоту излучения гелий-неонового лазера, стабилизированного по линии поглощения метана на длине волны 3,39 мкм сравнили с эталонной частотой цезия –133, используемой при определении секунды (9,19263177× 10⁹ Гц). Частота излучения лазера оказалась равной 8,8376181627 ×10¹³ Гц.

Определенная с помощью этих измерений скорость света равна:

с = 299792458 ± 1,2 м/сек.

Точность измерений была повышена на два порядка по сравнению с предыдущими методами. Это позволило отказаться от старого эталона длины – метра в виде эталонной линейки со штрихами или величины, равной определенному числу длин волн криптона, и ввести его новое «квантовое» определение, основанное на фундаментальной физической величине – фазовой скорости света в вакууме и квантовом эталоне секунды.

В 1983 г. было введено новое определение метра. Международным соглашением установлено, что метр, это расстояние, проходимое светом в вакууме за 1/299792458 долю секунды.

Оптическое гетеродинирование

Спектральные приборы, используемые в оптике, измеряют длины волн излучения. В 1972 г. Ивенсон с сотрудниками впервые осуществил прямые измерения частоты излучения лазера. Для этого был создан радиооптический мост, состоящий из 5 различных стабилизированных лазеров и устройств для умножения и смешения частот. (Evenson K.M., Wells J.S., Petersen F.R., Danielson B.L., Day G.W. //Appl. Phys. Lett.1973. v.22. p. 192).

Сигнал фотоприемника (фотодиода) представляет собой колебания фототока, который пропорционален интенсивности падающего на него излучения, т.е. фототок пропорционален квадрату напряженности электрического поля световой волны. Таким образом, фотодиод осуществляет нелинейное по полю преобразование оптического излучения в электрический сигнал. Это означает, что при попадании на фотодиод излучения, содержащего несколько частот, электрический сигнал, будет содержать гармоники этих частот, а также разностные и суммарные частоты исходных колебаний.

Пусть на фотоприемник падают две плоские монохроматические волны с разными частотами, одна из которых эталонная. Тогда выходной ток фотоприемника будет содержать частоту, равную разности исходных частот. Если эта разностная частота находится в радиодиапазоне, то ее можно с высокой точностью измерить с помощью электронного частотомера.

Такой экспериментальный прием сравнения оптических частот, аналогичный гетеродинированию, используемому в радиотехнике, назвали оптическим гетеродинированием. Оптическое гетеродинирование оказалось исключительно эффективным методом измерения частот лазерного излучения. Используя сравнительно инерционные устройства можно сравнивать частоты близких исключительно высокочастотных оптических колебаний.

Оптическое гетеродинирование используют для непосредственного измерения частот лазеров, стабилизированных по насыщенному поглощению эталонных веществ. Здесь используют тот факт, что частоты гармоник в точности кратны частоте излучения основной частоты и, следовательно, стабильны и могут быть измерены с той же точностью, что и основная частота.

Измерения оптических частот проводят путем точного измерения частот цепочки лазеров, частоты которых последовательно повышаются от дальнего инфракрасного до видимого диапазона. Например, для измерения частоты гелий-неонового лазера был использован радиооптический мост, включающий в себя шесть последовательных измерений частоты (см. рис.). В качестве фотоприемников - элементов моста, в которых образуются частоты биений стабилизированных лазеров и клистронов, использовались полупроводниковые диоды и диоды типа металл-окисел-металл (МОМ-диоды).

На первом этапе точно измеряют частоту клистрона с помощью частотомера, калибруемого по цезиевому стандарту частоты. Затем последовательно измеряют частоты цепочки промежуточных лазеров за счет смешения частот гармоник их излучения с точно измеренными частотами клистрона.

Дата добавления: 2014-01-13