实用光纤罗经中,从光纤线圈两端出来的两束光的相位差取决于________。A. 光纤线圈的半径B. 光入射角C. 光速D. 光纤线圈旋转角速度
A. 光纤线圈的半径
B. 光入射角
C. 光速
D. 光纤线圈旋转角速度
题目解答
答案
解析
本题考查实用光纤罗经的工作原理,解题的关键在于理解光纤罗经中两束光产生相位差的原因。
在实用光纤罗经中,基于萨格奈克(Sagnac)效应。当光纤线圈旋转时,从光纤线圈两端出来的两束光会产生相位差。
设光纤线圈的半径为 $R$,周长为 $L = 2\pi R$,光在光纤中的传播速度为 $v$,光纤线圈旋转的角速度为 $\omega$。
对于沿一个方向传播的光,其在旋转的光纤中传播一周的时间 $t_1=\frac{L}{v - R\omega}$;对于沿相反方向传播的光,其在旋转的光纤中传播一周的时间 $t_2=\frac{L}{v + R\omega}$。
两束光传播的时间差 $\Delta t=t_1 - t_2=\frac{L}{v - R\omega}-\frac{L}{v + R\omega}$,对其通分可得:
$\begin{align*}\Delta t&=\frac{L(v + R\omega)-L(v - R\omega)}{(v - R\omega)(v + R\omega)}\\&=\frac{Lv+LR\omega - Lv + LR\omega}{v^{2}-(R\omega)^{2}}\\&=\frac{2LR\omega}{v^{2}-(R\omega)^{2}}\end{align*}$
由于 $v\gg R\omega$,则 $v^{2}-(R\omega)^{2}\approx v^{2}$,所以 $\Delta t\approx\frac{2LR\omega}{v^{2}}$。
根据光的相位差公式 $\Delta\varphi=\frac{2\pi}{\lambda}\Delta t$(其中 $\lambda$ 为光的波长),将 $\Delta t\approx\frac{2LR\omega}{v^{2}}$ 代入可得:
$\Delta\varphi=\frac{2\pi}{\lambda}\times\frac{2LR\omega}{v^{2}}$,由此可见,相位差 $\Delta\varphi$ 与光纤线圈旋转角速度 $\omega$ 有关。
而光纤线圈的半径 $R$、光入射角以及光速 $v$ 等因素在这种情况下并不是决定两束光相位差的关键因素。