一种光速测定仪的制作方法

本实用新型涉及光速测定技术领域，尤其是涉及一种光速测定仪。

背景技术：

光速的测定在光学的发展史上具有非常特殊而重要的意义，在物理学理论研究的发展历程里，它不仅为粒子说和波动说的争论提供了判定的依据，而且最终推动了爱因斯坦相对论理论的发展。在实际应用中，它打破了光速无限的传统观念，同时也推动了光学实验；目前诸多院校已经开设了光速测定方面的实验，但是实验需要用到的设备较多，各个设备间需要学生自己用线连接，不但连接费时，且设备连接错误时容易出现安全问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种光速测定仪，以缓解现有技术中存在的诸多院校已经开设了光速测定方面的实验，但是实验需要用到的设备较多，各个设备间需要学生自己用线连接，不但连接费时，且设备连接错误时容易出现安全的技术问题。

第一方面，本实用新型实施例提供了一种光速测定仪，其中，包括：相连接的主机和示波器，所述主机包括：发射单元、光路系统、光电接收单元、第一信号处理单元和第二信号处理单元；

所述发射单元，用于产生光拍信号和第一高频信号；

所述光路系统与所述发射单元相连，用于将所述光拍信号进行传输，发射出拍频光；

所述光电接收单元与所述光路系统相连，用于将所述拍频光经光电转换，发射出第二高频信号；

所述第一信号处理单元与所述光电接收单元相连，用于将所述第二高频信号与本机振荡信号进行混频、选频放大后输出至所述示波器的Y输入端；

所述第二信号处理单元与所述发射单元相连，用于将所述第一高频信号与二分后的所述本机振荡信号进行混频、选频放大后输出至所述示波器的外触发输入端。

结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，所述发射单元包括：声光移频器和与所述声光移频器相连的氦氖激光器、高频信号源；

所述氦氖激光器向所述声光移频器发射激光束；

所述高频信号源向所述声光移频器发送正弦信号，同时，向所述第二信号处理单元发送所述第一高频信号；

所述声光移频器根据所述激光束和所述正弦信号产生所述光拍信号。

结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，所述激光束与所述正弦信号之间具有确定的频率差。

结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，还包括频率计。

结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，所述光路系统包括光栏、第一全反镜和第一半反镜；

所述光栏设置于所述声光移频器和所述第一全反镜之间的光速测定仪箱体上，且所述声光移频器、所述光栏与所述第一全反镜呈一条直线，所述光栏选择所述光拍信号中的拍频光透过；

所述拍频光经所述第一全反镜转变预设角度反射到所述第一半反镜；

所述第一半反镜位于所述光电接收单元的右侧，将所述拍频光分为近程光和远程光；所述近程光和所述远程光分别经过不同的光程达到所述光电接收单元，所述近程光对应近光程，所述远程光对应远光程。

结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，所述光路系统还包括斩光器、第二半反镜、第二全反镜、第三全反镜、第一反棱镜、第二反棱镜、第三反棱镜和导轨，所述近程光和所述远程光分别经过不同的光程达到所述光电接收单元，包括：

所述斩光器用于遮挡远程光透过近程光或者遮挡近程光透过远程光；

所述斩光器、第二半反镜、第二全反镜、第三全反镜、第一反棱镜、和导轨均设置于光速测定仪箱体上；所述第二反棱镜和第三反棱镜设置于平行的两个导轨上，通过移动来改变所述远光程；

所述斩光器遮挡远程光时，所述近程光从所述第一半反镜透过斩光器、经第二半反镜到达所述光电接收单元，所述近光程为所述第一半反镜到所述第二半反镜的距离以及所述第一全反镜到所述第一半反镜的距离之和；

所述斩光器遮挡近程光时，所述远程光从所述第一半反镜经第二全反镜透过斩光器，再依次经所述第三全反镜、所述第二反棱镜、所述第一反棱镜、所述第三反棱镜和所述第二半反镜到达所述光电接收单元，所述远光程为所述第一全反镜到所述第一半反镜、所述第一半反镜到所述第二全反镜、所述第二全反镜到所述第三全反镜、所述第三全反镜到所述第二反棱镜、所述第二反棱镜到所述第一反棱镜、所述第一反棱镜到所述第三反棱镜、所述第三反棱镜到所述第二半反镜的距离之和。

结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第六种可能的实施方式，其中，所述第一信号处理单元包括：第一混频器和第一选频放大器；

所述第一混频器与所述光电接收盒相连，将输入的所述第二高频信号与本机振荡信号进行混频后发射给所述第一选频放大器；

所述第一选频放大器将混频后的信号进行放大处理后输出至所述示波器的Y输入端。

结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第七种可能的实施方式，其中，所述第二信号处理单元包括：第二混频器和第二选频放大器；

所述第二混频器与所述发射单元相连，将输入的所述第一高频信号与二分后的所述本机振荡信号进行混频后发射给所述第二选频放大器；

所述第二选频放大器将混频后的信号进行放大处理后输出至所述示波器的外触发输入端。

结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第八种可能的实施方式，其中，还包括：氦氖激光器电源和正负直流稳压电源；

所述氦氖激光器电源为所述发射单元中的氦氖激光器供电；

所述正负直流稳压电源为所述光路系统中的斩光器、所述发射单元中的高频信号源、所述光电接收单元、所述第一信号处理单元及所述第二信号处理单元供电。

结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第九种可能的实施方式，其中，所述正负直流稳压电源包括：电源电压指示灯；

所述电源电压指示灯用于指示所述正负直流稳压电源的供电状态。

本实用新型实施例带来了以下有益效果：

本实用新型实施例提供了一种光速测定仪，包括相连接的主机和示波器，主机包括：发射单元、光路系统、光电接收单元、第一信号处理单元和第二信号处理单元；发射单元，用于产生光拍信号和第一高频信号；光路系统与发射单元相连，用于将光拍信号进行传输，发射出拍频光；光电接收单元与光路系统相连，用于将拍频光经光电转换，发射出第二高频信号；第一信号处理单元与光电接收单元相连，用于将第二高频信号与本机振荡信号进行混频、选频放大后输出至示波器的Y输入端；第二信号处理单元与发射单元相连，用于将第一高频信号与二分后的本机振荡信号进行混频、选频放大后输出至示波器的外触发输入端。本实用新型实施例通过将实验所用的发射单元、光路系统、光电接收单元、第一信号处理单元和第二信号处理单元组合设置在光速测定仪内，学生可通过探针自行连接实验装置，并且模块内部结构固定，避免因连接错误出现安全隐患问题，提高了实验的安全性。

本实用新型的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。本实用新型的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例一提供的一种光速测定仪的结构图。

图标：01-主机；02-示波器；10-发射单元；11-声光移频器；12-氦氖激光器；13-高频信号源；20-光路系统；21-光栏；221-第一全反镜；222-第二全反镜；223-第三全反镜；23-斩光器；241-第一半反镜；242-第二半反镜；251-第一反棱镜；252-第二反棱镜；253-第三反棱镜；26-导轨；30-光电接收单元；40-第一信号处理单元；41-第一混频器；42-第一选频放大器；50-第二信号处理单元；51-第二混频器；52-第二选频放大器；60-频率计。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

目前诸多院校已经开设了光速测定方面的实验，但是实验需要用到的设备较多，各个设备间需要学生自己用线连接，不但连接费时，且设备连接错误时容易出现安全问题。，基于此，本实用新型实施例提供的一种光速测定仪，可以通过将实验所用的发射单元、光路系统、光电接收单元、第一信号处理单元和第二信号处理单元组合设置在光速测定仪内，学生可通过探针自行连接实验装置，并且模块内部结构固定，避免因连接错误出现安全隐患问题，提高了实验的安全性。

为便于对本实施例进行理解，首先对本实用新型实施例所公开的一种一种光速测定仪进行详细介绍。

实施例一：

图1为本实用新型实施例一提供的一种光速测定仪的结构图。

如图1所示，光速测定仪包括：相连接的主机01和示波器02，主机01包括：发射单元10、光路系统20、光电接收单元30、第一信号处理单元40和第二信号处理单元50；

发射单元10，用于产生光拍信号和第一高频信号；

光路系统20与发射单元10相连，用于将光拍信号进行传输，发射出拍频光；

光电接收单元30与光路系统20相连，用于将拍频光经光电转换，发射出第二高频信号；

第一信号处理单元40与光电接收单元30相连，用于将第二高频信号与本机振荡信号进行混频、选频放大后输出至示波器02的Y输入端；

第二信号处理单元50与发射单元10相连，用于将第一高频信号与二分后的本机振荡信号进行混频、选频放大后输出至示波器02的外触发输入端。

在本实用新型实施例中，光电接收单元30的工作原理可以指拍频光经光电接收单元30中的光学镜片反射和聚焦后照射到光电二极管上，转化成第二高频信号。测量光速常用的公式为：

式中，C为光速；f为拍频；ΔL为光程差；ΔΦ为相位差。

拍频f为两倍的高频信号源13的振荡频率F，其中，高频信号源13的振荡频率F由频率计60测定；若相位差ΔΦ为2π，则光程差ΔL等于光拍波长。所以光速测定仪可以通过在示波器02显示的光拍波形重合时，调节主机01上的光路系统20来改变远程光，确定光程差ΔL，进而确定光速C。

进一步的，如图1所示，发射单元10包括：声光移频器11和与声光移频器11相连的氦氖激光器12、高频信号源13；

氦氖激光器12向声光移频器11发射激光束；

高频信号源13向声光移频器11发送正弦信号，同时，向第二信号处理单元50发送第一高频信号；

声光移频器11根据激光束和正弦信号产生光拍信号。

在本实用新型实施例中，氦氖激光器12发射出为波长为632nm、且输出频率超过1MW的激光束，激光束无阻碍的通过声光移频器11的通光孔中心，同时，高频信号源13向声光移频器11发送频率约为50MHz、功率大概在1W左右的正弦信号，通过调节声光移频器11底座上的六个螺丝使激光束和正弦信号加在声光移频器11上相互叠加作用，进而使声光移频器11产生高频功率的光拍信号。

进一步的，激光束与正弦信号之间具有确定的频率差。

具体的，为了产生光拍信号，要求相叠加的激光束与正弦信号具有一定的频率差，可通过激光束与正弦信号的相互作用来实现。

进一步的，光速测定仪，还包括频率计60。

具体的，可以使用Q9头高频电缆，将高频信号源13的输出接到频率计60的输入插口，从频率计60读出高频信号源13的振荡频率。

进一步的，如图1所示，光路系统20包括光栏21、第一全反镜221、第二全反镜222、第三全反镜223、斩光器23、第一半反镜241、第二半反镜242、第一反棱镜251、第二反棱镜252、第三反棱镜253和导轨26。

光栏21设置于声光移频器11和第一全反镜221之间的光速测定仪箱体上，且声光移频器11、光栏21与第一全反镜221呈一条直线，光栏21选择光拍信号中的拍频光透过；

拍频光经第一全反镜221转变预设角度反射到第一半反镜241；

第一半反镜241位于光电接收单元的右侧，将拍频光分为近程光和远程光；近程光和远程光分别经过不同的光程达到光电接收单元，近程光对应近光程，远程光对应远光程。

斩光器23用于遮挡远程光透过近程光或者遮挡近程光透过远程光；

斩光器23、第二半反镜242、第二全反镜222、第三全反镜223、第一反棱镜251、和导轨26均设置于光速测定仪箱体上；第二反棱镜252和第三反棱镜253设置于平行的两个导轨26上，可以通过移动来改变远光程；

斩光器23遮挡远程光时，近程光从第一半反镜241透过斩光器23、经第二半反镜242到达光电接收单元，近光程为第一半反镜241到第二半反镜242的距离以及第一全反镜221到第一半反镜241的距离之和；

斩光器23遮挡近程光时，远程光从第一半反镜241经第二全反镜222透过斩光器23，再依次经第三全反镜223、第二反棱镜252、第一反棱镜251、第三反棱镜253和第二半反镜242到达光电接收单元，远光程为第一全反镜221到第一半反镜241、第一半反镜241到第二全反镜222、第二全反镜222到第三全反镜223、第三全反镜223到第二反棱镜252、第二反棱镜252到第一反棱镜251、第一反棱镜251到第三反棱镜253、第三反棱镜253到第二半反镜242的距离之和。

在本实用新型的实施例中，因为光拍信号打在光栏21位置，所以光栏21上可以看到一排水平的衍射光斑点，光栏21中心孔高度与第一全反镜221中心等高，使拍频光无遮拦的顺利通过光栏21，调节时应关闭正负直流稳压电源的开关。

接通正负直流稳压电源的开关后，分别用斩光器23依次切断远程光和近程光，则在示波器02的荧光屏上同时显示近程光和远程光的光拍波形。具体的有如下两个步骤：

步骤一：用斩光器23挡住远程光，调节第一全反镜221、第一半反镜241使近程光经第二半反镜242入射到光电接收单元30的光电二极管的光敏面上，拨开光电接收单元30上的窗口可观察近程光是否准确地入射在光敏面的中心上，此时，示波器02的荧光屏上能看到近程光的光拍波形。

步骤二：用斩光器挡住近程光，调节第一半反镜241、第二全反镜222、第三全反镜223、第一反棱镜251、第二反棱镜252和第三反棱镜253，使远程光最终经第二半反镜242入射到光敏管的光敏面中心点上，此时，示波器02的荧光屏上能看到远程光的光拍波形。

因斩光器23、第一半反镜241和第二半反镜242都固定在光速测定仪箱体上，所以近程光的近光程固定不变，且可以作为远光程的参考量，第二反棱镜252在导轨26上的移动可以改变第三全反镜223到第二反棱镜252的距离和第二反棱镜252到第一反棱镜251的距离，第三反棱镜253在导轨26上的移动可以改变第一反棱镜251到第三反棱镜253的距离和第三反棱镜253到第二半反镜242的距离，第二反棱镜252和第三反棱镜253在导轨26上的移动改变了远程光的距离，进而改变了远光程与近光程之间的光程差。

反复调节以上两个步骤，直至显示在示波器02的荧光屏上的近程光和远程光两种光波的光拍波形和相位重合，从而达到测量光波在空气中传播速度的目的。

光电接收单元30的光电二极管的光敏面的方位可以通过光电接收单元30外设的调节旋钮调节，调节光电二极管的光敏面的方位的目的在于保证显示在示波器02上的波形振幅最大。

进一步的，第一信号处理单元40包括：第一混频器41和第一选频放大器42；

第一混频器41与光电接收盒相连，将输入的第二高频信号与本机振荡信号进行混频后发射给第一选频放大器42；

第一选频放大器42将混频后的信号进行放大处理后输出至示波器02的Y输入端。

在本实用新型实施例中，第二高频信号与本机振荡信号进行混频，经第一选频放大器42放大后输出至示波器02的Y输入端。

进一步的，第二信号处理单元50包括：第二混频器51和第二选频放大器52；

第二混频器51与发射单元10相连，将输入的第一高频信号与二分后的本机振荡信号进行混频后发射给第二选频放大器52；

第二选频放大器52将混频后的信号进行放大处理后输出至示波器02的外触发输入端。

在本实用新型实施例中，高频信号源13向第二混频器51发送的第一高频信号与二分后的本机振荡信号进行混频后经第二选频放大器52放大处理后输出至示波器02的外触发输入端。示波器02为了正确显示两路光波的相位差，避免使用内触发，应设置成外出发工作状态，否则不能准确比较两种光波的相位差。示波器02的Y输出端和示波器02的外触发输出端，与示波器02的Y输入端和示波器02的外触发输入端可以使用Q9头高频电缆相连。

进一步的，光速测定仪，还包括：氦氖激光器电源和正负直流稳压电源；

氦氖激光器电源为发射单元10中的氦氖激光器12供电；

正负直流稳压电源为光电接收单元30、光路系统20中的斩光器23及发射单元10中的高频信号源13供电。

正负直流稳压电源为光路系统20中的斩光器23、发射单元10中的高频信号源13、光电接收单元30、第一信号处理单元40及第二信号处理单元50供电。

进一步的，正负直流稳压电源包括：电源电压指示灯；

电源电压指示灯用于指示正负直流稳压电源的供电状态。

在本实用新型实施例中，氦氖激光器电源采用倍压整流电路，工作电压部分采用大电解，有一定的电流输出。

正负直流稳压电源采用三端固定集成稳压器件，正负直流稳压电源为±15V，分别为发射单元10中的高频信号源13、光电接收单元30、第一信号处理单元40及第二信号处理单元50供电，-15V经降压调节处理后为光路系统20中的斩光器23的电机供电。

光速测定仪的输入电压可以设置为AC220±10％V，频率为50Hz，消耗功率为30W，且外形尺寸可以设置为1000×280×200mm，净重24KG，可持续工作5小时，光速测定仪适宜工作的环境温度在10℃～35℃之间，且在工作前，应当呈水平状态放在稳固、平整的实验桌上，室内不宜明亮。

本实用新型实施例提供了一种光速测定仪，包括相连接的主机和示波器，主机包括：发射单元、光路系统、光电接收单元、第一信号处理单元和第二信号处理单元；发射单元，用于产生光拍信号和第一高频信号；光路系统与发射单元相连，用于将光拍信号进行传输，发射出拍频光；光电接收单元与光路系统相连，用于将拍频光经光电转换，发射出第二高频信号；第一信号处理单元与光电接收单元相连，用于将第二高频信号与本机振荡信号进行混频、选频放大后输出至示波器的Y输入端；第二信号处理单元与发射单元相连，用于将第一高频信号与二分后的本机振荡信号进行混频、选频放大后输出至示波器的外触发输入端。本实用新型实施例通过将实验所用的发射单元、光路系统、光电接收单元、第一信号处理单元和第二信号处理单元组合设置在光速测定仪内，学生可通过探针自行连接实验装置，并且模块内部结构固定，避免因连接错误出现安全隐患问题，提高了实验的安全性。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统和装置的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

另外，在本实用新型实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本实用新型的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本实用新型各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本实用新型的具体实施方式，用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制，本实用新型的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。