惠更斯的次波原理与sagnac效应 1.Sagnac效应 英文名称: Sagnac Effect 1913年萨格纳克发明了一种可以旋转的环形干涉仪。将同一光源发出的一束光分解为两束,让它们在同一个环路内沿相反方向循行一周后会合,然后在屏幕上产生干涉。这就是萨格纳克效应。萨格纳克效应中条纹移动数与干涉仪的角速度和环路所围面积之积成正比。 萨格纳克效应已经得到广泛的应用,由萨格纳克效应研制出的光纤陀螺已成功地用于航空、航天等领域,是近20年发展较快的一种陀螺仪。 2. 惠更斯的次波原理 1690年惠更斯在建立光的波动学说时,提出了一条原理即惠更斯原理。它的内容是:介质中波到达的各点都可以看作发射子波的波源,在以后任一时刻,这些子波的包迹就是新的波阵面。根据惠更斯次波原理【1】,任何时刻任何波动的波面上的每一点都可作为次波的波源,各自发出球面次波。因此,任何波动在传播过程中,遭遇到的任何媒质或障碍物,都可以把该障碍物的表面的每一点或媒质作为次波的波源,各自发出次波。故任何波动在前进中遭遇不同运动速度的物体或媒质就能以该物体表面的每一点或媒质作为次波的波源,波动的速度就随着与波相接触或遭遇的次波源(物体)速度的变化而产生相应变化。波速是波动相对于次波源的速度,波动具有相对次波源在发射次波时刻的运动速度为光速的性质。 3. sagnac效应的解释与分析 在静止的sagnac圆环中,取圆环的圆心(中心)为坐标原点O,引有刻度的射线OX称为极轴,构成极坐标系.设质点运动至A点,引OA,r=OA为质点的矢径;质点位置矢量与极轴所夹的角θ叫做质点的幅角,r和θ与平面上质点的位置一一对应,称为质点的极坐标,质点的运动学方程为:r=r(t), θ=θ(t),如将时间变量t视作参数,由上式可看作参数方程形式给出的质点的轨逆方程;消去参数t,轨迹方程的形式为:r=r(θ),在极坐标系中可对矢量进行正交分解,质点在A处,沿位置矢量方向称作径向,沿此方向所引单位矢量叫径向单位矢量,记作nr,与此方向垂直指向θ增加的方向称作横向,沿此方向的单位矢量叫做横向单位矢量,记作nθ。任何矢量均可在r和θ方向作正交分解。 现在考察静止的sagnac圆环,取极轴与圆周的交点(θ=O)为起点,沿圆周逆时针旋转一周回到起点(θ=2л),将圆周代分为n等分(n→∞),则每一个小片段可看作一个次波源。当sagnac环静止时,根据惠更斯的次波原理,光速是光波相对于次波源的速度,光在圆环中的速度为U = V次波源+ Cn。在极坐标中,由于sagnac环静止,V次波源=0,光波始终被限制在圆周方向运动,故在sagnac圆环中沿顺时针方向传播的光波的速度U顺 =- Cnθ,沿逆时针方向传播的光波的速度U逆 = Cnθ。 我们要讨论的是圆环式激光陀螺仪(环壁就是反光镜,由于是圆环,两束反向发出的光的反光角度总是相同的)。分情况和参照系讨论: 3.1.第一种情况:sagnac圆环中没有介质,是真空。圆环分为上环和下环。上环转动,下环静止不动。(当然,这种sagnac圆环应放在真空室内,否则,由于上下环之间的相对运动,很难保证环体空腔的真空状态。)感光点处在下环且静止不动。上环与下环有共同的轴心。环体空腔极细,光波是在不断的和环体碰撞和反射中前进的。因此,光波是以其经过的环体作为次波源的,光速是相对于次波源的速度。 当sagnac圆环转动时,在圆环中各段次波源的速度U次满足: U次=ωrnθ,ω为sagnac圆环转动的转动角速度。在sagnac圆环中光波沿顺时针方向传播的速度U顺 =ωrnθ- Cnθ;其绝对值为U顺 =(C-ωr)。光波从光源起点(θ=O)沿顺时针绕闭合圆环一周到终点(θ=-2л)所经过的时间t顺 满足: t顺 =2πr/U顺= 2πr/ (C-ωr) 沿顺时针绕闭合圆环传播的光波在nθ方向(即圆周方向)的位移满足: dL =(ωrnθ- Cnθ)dt 由于ω是常数,则在sagnac圆环中光波作匀速运动,故有: L = (ωrnθ- Cnθ)t 光波沿顺时针绕闭合圆环一周的极坐标位移L =-2лrnθ,故光波绕闭合圆环一周到终点(θ=-2л)所经过的时间: t顺 =2πr/U顺= 2πr/ (C-ωr) 沿逆时针绕闭合圆环传播的光波在nθ方向(即圆周方向)的位移满足: dL =(ωrnθ + Cnθ)dt 由于ω是常数,则在sagnac圆环中光波作匀速运动,故有: L = (ωrnθ + Cnθ)t 光波沿逆时针绕闭合圆环一周的极坐标位移L =2лrnθ,故光波绕闭合圆环一周到终点(θ=2л)所经过的时间: t逆 = L/U逆= 2лr/ U逆= 2лr/( C +ωr) 时差Δt= t顺- t逆 =2лr/( C-ωr)- 2лr/( C +ωr) =4ωлr2/( C2-ω2r2) 由于ω2r2 << C2,故有: Δt= t顺- t逆 ≈4ωлr2/ C2 产生干涉条纹的移动,移动的相对波长为Δλ=CΔt = 。 3.2.第二种情况:激光陀螺仪发光点就是感光点(感光点就是最后接收光的部分),而这个点随着陀螺仪环体运动,总相对环体静止。 环体内介质是气体,与环壁的粘滞力保证不了气体和环体形成总相对静止的整体,而且介质具有自己的惯性,和环体惯性不同,因此这个介质不可能随着环体一齐转动。所有这类激光陀螺仪制造者,都要在仪器内部填充透光介质,并且必须让介质不随仪器光源(感光点)转动。 Ⅰ假定环体相对介质静止(此时环体和介质是一个参照系)。 这时候,环体上的光源和光进入介质的光路起点在位置上完全重合,且由于感光点就是光源,那么感光点也和光进入介质的光路起点在位置上完全重合。那么两束光波形对于感光点和对于光路起点一样,是对称的,因此没有相位差,不产生sagnac效应。 Ⅱ让环体转动(这就是激光陀螺仪的正常工作状态)。 由于介质与环体惯性不同,当汽车前进时,环内气体介质整体随车前进,而环除了随车前进外,还自身转动,由于环壁与气体间摩擦力不足以带动气体介质和环同步运动,环体必然相对气体介质有运动。我们假设气体介质完全不随环体运动,处于相对静止状态。根据惠更斯的次波原理,光在圆环的介质中的速度为U = V次波源+ Cn。在极坐标中,由于介质静止,V次波源=0,光波始终被限制在圆周方向的介质中运动,故在圆环的介质中沿顺时针方向传播的光波的速度U顺 =- Cnθ,沿逆时针方向传播的光波的速度U逆 = Cnθ。两个光路反射回到光路起点时候,还是对称的,则两束光回到光路起点处仍没有相位差。 光波运行一周的时间t顺 =t逆 =2лr/ C。 但是对于光源(感光点)来说,由于反射过程结束后,光源(感光点)随着环体相对介质转动,也就是相对光路起点发生移动,因此光源接收的两束光波形相位关系肯定和光路起点接受的两束光波形相位关系情况不同,是不相等的,因此转动的环体接收到两束光存在相位差,产生干涉条纹的移动,移动的相对波长为: Δλ=2ωrt顺 =4ωлr2/C。总之, 这种激光陀螺仪产生sagnac效应是由于环体相对介质运动造成的。 Ⅲ.考虑介质不存在,环内为真空的情况: 由于没有介质,则不存在任何光路被拖曳的效果。光波是在不断的和环体碰撞和反射中前进的。因此,光波是以经过的环体为次波源的,光速相对于次波源的速度。 则在环体自身参照系看来,环体自认为静止,则在环自身作为观测者来看,光路起点一直是光源所在位置,而根据"光路起点总接收到两束光的对称波形和相同相位",则环自身看来,感光点(光源)总相对光路起点没有移动,接收到的两束反光的相位情况完全相同,没有相位差,不产生sagnac效应。 综上所述,这种激光陀螺仪的基本工作原理是依赖介质和陀螺仪光源(感光点)的相对转动。一旦某条件下不能观测到这种转动差异,则不能检测到对应的相位差,也就不出现sagnac效应。 4.结语 sagnac效应完全证明了更斯次波原理:光速是光波相对于次波源的速度,而不是相对于所有的惯性系都不变(即光速不变)。 |