Экспериментальная часть Описание лабораторной установки

В данной работе изучается дифракция Фраунгофера на щели и плоской пропускательной амплитудной решетке. Лабораторная установка (рис.8) состоит из оптической скамьи 1 с линейкой, на которой находятся подвижные рейторы со стойками для укрепления на них гелий-неонового лазера 2, сменных элементов 3 (раздвижной щели, дифракционных решеток), линз 4, 5 и экрана 6 для наблюдения дифракции.

В табл. 1 приведены данные о назначении отдельных элементов установки.

Таблица 1

№ позиции	Элемент	Назначение
1	Оптическая скамья	Для установки необходимых элементов схемы и измерения расстояний
2	Гелий-неоновый лазер	Для получения когерентного излучения
3	Сменные элементы	Для осуществления дифракции света
4	Линза	Для расширения светового пучка
5	Линза	Для фокусировки изображения
6	Экран	Для наблюдения дифракционной картины

При использовании излучения длиной волны 0,5 мкм дифракция Фраунгофера на отверстиях, размером около 1 мм, наблюдается на расстояниях, много больших 0,5 м, а при увеличении отверстий до 10 мм – на расстояниях, больше 50 м. Поэтому в лабораторных условиях для удобства наблюдения часто используют собирающую линзу, которая переносит изоб ражение дифракционной картины из бесконечности (достаточно большого расстояния) в фокальную плоскость. На рис.9 показана схема дифракции на щели с использованием линзы. В качестве примера показаны направления на два первых минимума дифракции ( m =  1), расположенных по обе стороны от центрального максимума. Аналогичным образом линза применяется для наблюдения дифракции на решетке.

Упражнение 1. Наблюдение дифракции Фраунгофера на щели

1. Собрать схему установки по рис.8. Для расширения светового пучка установить на оптическую скамью линзу 4 (f=75мм) так, чтобы выходное окно лазера находилось в ее фокальной плоскости.

2. Отцентрировать оптическую систему. Для этого, регулируя высоту положения всех элементов схемы, добиться, чтобы лазерный пучок прошел через них и попал на экран 6. На экране укрепить лист бумаги для зарисовки картин дифракции. При перемещении экрана вдоль оптической скамьи пучок света должен попадать в одно и то же место на экране.

3. Линзу 5 (f=450 мм) установить так, чтобы экран 6 находился в ее фокальной плоскости. Оптический центр линзы должен находиться на линии оптической оси системы.

4. Установить раздвижную щель с микрометрическим винтом за линзой 4 согласно схеме рис.8. Вращая микрометрический винт, широко раскрыть щель. Зарисовать полученную картину. Отметить яркость изображения.

5. Уменьшать ширину щели до появления нескольких дифракционных максимумов на экране. Продолжая уменьшать ширину щели, зафиксировать (зарисовать на бумаге) 4 различные дифракционные картины, отмечая изменение яркости. Закончить наблюдения при минимальной ширине щели.

6. Сделать вывод о влиянии ширины щели на дифракционную картину.

Упражнение 2. Определение ширины щели

1. Выполнить пп. 1 – 3 Упражнения1.

2. Установить подвижную щель. Вращая микрометрический винт, изменять ширину щели до тех пор, пока на экране не получится отчетливая дифракционная картина с несколькими максимумами.

3. Отметить на экране (на укрепленном листе бумаги) положения центра нулевого максимума и минимумов 1, 2, и 3-го порядков.

4. Перекрыть луч лазера (например, картонкой) и измерить расстояния от нулевого максимума до каждого m – го минимума. Измерять следует симметрично расположенные отрезки: справа и слева от центра. Найти средние значения .

5. Вычислить ширину щели для каждого измерения по формуле

, (5)

где m - номер минимума (порядок дифракции),  = 6,32810^-7 м - длина волны лазера, f = 450 мм - фокусное расстояние линзы. Найти и оценить погрешности b и _b .

Результаты измерений и вычислений записать в табл.2.

Таблица 2