Интерференция

Фонари с лампой накаливания или светодиодами подвешиваются на борт каркаса или устанавливаются в держателях на рейтерах. Через кабель с разъёмом типа СШ-5 фонари подключаются к блоку питания. Назначение контактов разъёмов фонарей показано на рис. 26÷27. Ток фонарей регулируется ручкой « I1». Одновременно могут работать два фонаря.

5.Методические указания к применению

5.1.Методика настройки и измерений

Настройка установки

Настройка заключается в фиксации лазерного луча и центров оптических элементов на оптической оси установки, расположенной на высоте 45 мм от верхнего края рельс или, что то же, 40 мм от верхней плоскости рейтеров. Совместную настройку группы оптических элементов называют юстировкой Индикатором юстировки является микропроектор (модуль 3). Положение оптической оси после юстировки определяется положением центра линзы микропроектора. Перед юстировкой линза микропроектора устанавливается в среднее положение (координата 3мм см. рис.7). После включения лазера проводят два этапа юстировки.

Грубая юстировка

(обозначения по рис. 3.)

Поворотом рукояток 6.2 и перемещением Б-Б рейтера модуля 2 установите пучок излучения в центре зеркала 7.1, затем поворотом рукоятки 7.3 и

винта 7.2 направьте пучок вдоль оптической скамьи.

Точная юстировка

Установите микропроектор (модуль 3) в положение с координатой рис-

ки 10см, при этом точка выхода пучка после отражения от зеркала (см. рис.

8) будет иметь координату 13,0см и окажется напротив левого визирного креста экрана. Поворотом рукояток 6.2 и перемещением Б-Б рейтера моду-

ля 2 совместите центр пятна излучения лазера с визирным крестом на эк-

ране.

Отодвиньте микропроектор до положения с координатой риски 67,0 см, при этом точка выхода пучка после отражения от зеркала будет иметь ко-

ординату 70,0 см и окажется напротив правого визирного креста экрана. Поворотом рукоятки 7.3 и винта 7.2 совместите центр светового пятна с

113

центром шкалы фотоприемника. Уточните положение пучка точной настройкой с помощью винта 7.5 (рис.).

Операцию точной юстировки повторите 2-3 раза, пока смещение светового пятна от номинального положения при перемещении микропроектора не скажется меньше радиуса этого пятна.

При установке на рельс каждого нового оптического элемента, прежде

всего, с помощью винтов держателя этого элемента, добивайтесь возвращения центра пятна на экране в то же место, что и при юстировке лазерного луча. Это означает, что центр оптического элемента находится на оптической оси установки, и можно приступать к эксперименту или размещать на рельсе следующие элементы. В процессе эксперимента можно, смещая

оптические элементы винтами двухкоординатных держателей, перемещать

картину на экране в положение, удобное для наблюдений или измерений.

Измерение продольных координат и расстояний

Используется линейка, размещённая вдоль оптической скамьи. Коорди-

наты характерных точек оптических элементов определяются с помощью

рисок на рейтерах. Координаты изображений и точек фокусировки волн определяются методом «наводки на резкость»: с помощью линзы микро-

проектора получают на экране чёткое повторное изображение исследуемой

точки и отсчитывают координату объектной плоскости линзы (плоскость F на рис. 8) по риске на рейтере микропроектора. Расстояния определяют как

разности координат.

При использовании шкалы экрана следует учитывать, что точка выхода пучка излучения из микропроектора смещена на величину b =30 мм.

(рис. 8) относительно риски на рейтере микропроектора, соответственно

смещена и точка экрана, находящаяся напротив точки выхода пучка.

Калибровка микропроектора

Калибровка заключается в определении поперечного увеличения линзы

микропроектора. Для калибровки устанавливают микропроектор на опти-

ческой скамье, а перед ним - модуль 5 или другой элемент так, чтобы лазерный пучок расширился и осветил в плоскости микропроектора площад-

ку диаметром 5-10 мм, при этом на экране будет освещена площадка диа-

метром несколько сантиметров. Размещая в кассете микропроектора раз-

личные объекты, получают на экран их увеличенное изображение. Установите в кассете микропроектора объект N:2 с калибровочной сет-

кой, цена деления h которой 1,00 мм. По шкале экрана определите координаты изображений нескольких штрихов сетки и найдите расстояние Н между соседними изображениями.

114

ВНИМАНИЕ! Координата центра исследуемого изображения по шкале экрана должна быть на 30±10 мм больше координаты риски микропроектора по шкале оптической скамьи (см. рис.8)! При нарушении этого условия увеличиваются погрешности измерений.

Увеличение микропроектора

h

Поперечные размеры и расстояния

Если измеряемые размеры составляют несколько миллиметров, то исследуемое распределение интенсивностей проецируют на круглый экран со шкалами модуля 5. Если же характерные размеры составляю доли миллиметра, то используют микропроектор.

Исследуемое распределение, например, дифракционную картину или измеряемый объект размещают в объектной плоскости линзы модуля 3.

Увеличенное изображение наблюдают на экране фотоприёмника и изме-

Для измерения расстояния h1 между удалёнными объектами нужно по-

лучить их изображения в объектной плоскости микропроектора, определить согласно (2) расстояние h2 между изображениями, затем вычислить

h1 . Изображение можно получить с помощью объектива (модуль 6) или собирающей линзы из набора объектов.

Распределение интенсивности

Изучаемое распределение интенсивности или изображение объекта размещают и нужным образом ориентируют в окне фотоприёмника. Для перемещения изображения используют юстировочные винты двухкоорди-

натных держателей оптических элементов. Для изменения ориентации

изображения используют возможность поворота обоймы двухкоординатного держателя на произвольный угол.

Для измерения распределения интенсивности изображение смещают,

поворачивая барабан модуля 3 на угол, соответствующий выбранному интервалу измерений, и снимают отсчёты напряжения после каждого смеще-

ния. Одновременно снимают отсчёт координаты соответствующей точки

объекта по шкалам микропроектора.

Значения интенсивности в условных единицах (милливольтах) показываются цифровым вольтметром. Для нахождения интенсивности в абсо-

115

лютных единицах необходима калибровка фоторегистратора. В большинстве экспериментов важны лишь относительные значения интенсивности. Тогда калибровка не требуется, и используются условные значения интенсивности в милливольтах.

ВНИМАНИЕ!

Мощность излучения лазера плавно нарастает в течение

10-15 минут после включения. После прогрева остаются колебания мощности с периодом 1÷10 секунд и с размахом

порядка 10% средней мощности. Воспроизводимость результатов повышается, если брать отсчёты, соответствующие максимумам показаний фотоприёмника.

2.В лазерах с неполяризованным излучением наблюдаются еще и хао-

тические изменения поляризации. Это приводит к сильным колебаниям интенсивности в опытах с поляризованным светом (темы 28 и 30), что затрудняет интерпретацию результатов. Однако если брать соответствующие максимумам показаний фотоприемника результаты получаются вполне удовлетворительными.

3.Если источник излучения - лампа накаливания, то поляризаторы и

светофильтры при визуальном наблюдении ведут себя как положено, а при фотометрических измерениях практически не работают. Дело в том, что

основная часть мощности излучения лампы приходится на инфракрасный

диапазон. В этом же диапазоне (до 2мкм) наиболее чувствителен фотоприёмник, а поляризаторы и светофильтры построены для излучения видимо-

го диапазона. Из набора фильтров модуля 28 только зелёный светофильтр

заметно задерживает инфракрасное излучение, остальные его пропускают. Для фотометрических опытов с белым светом нужно предварительно раз-

ложить его в спектр или отсечь инфракрасную составляющую. В ЛКО-IА

это не предусмотрено, и опыты с фотометрией проводятся с использовани-

ем лазера.

116

Приложение 8.

ОПИСАНИЕ УЧЕБНО-ДЕМОНСТРАЦИОННОГО ТЕСТ-ОБЪЕКТА МОЛ-01-1

НАЗНАЧЕНИЕ

Объект предназначен для проведения лабораторного практикума и лекционных демонстраций по разделу “волновая оптика” курса общей физики в высших и средних учебных заведениях. Позволяет изучать все основные эффекты, связанные с явлениями интерференции и дифракции света на

различных уровнях сложности изложения – от школьного до университет-

ского. На его основе могут быть собраны лабораторные работы по волновой оптике с использованием лазерных источников излучения.

Кроме того, объект может использоваться как эффектный “веер лучей” для лабораторных работ и демонстраций по геометрической оптике.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

Объект представляет собой стеклянную подложку диаметром 35 мм и толщиной 3 мм с зеркальным непрозрачным покрытием и выполненными по специальной фотолитографической технологии прозрачными структурами (одиночные и двойные штрихи, отверстия). Они расположены в трех рядах А, В и С через равные угловые промежутки (10, 45 и 22.5 угл. граду-

са соответственно) и в центре объекта.

МЕТОДИКА ИСПОЛЬЗОВАНИЯ

Для наблюдения дифракции Фраунгофера или интерференции на двух

щелях используется излучение гелий-неоновых или полупроводниковых

лазеров любого типа с диаметром пучка не более 2 мм без дополнительно-

го преобразования. Параметры структур рассчитаны на установку объекта

на стандартной оптической скамье или плите с расстоянием до экрана ме-

нее или порядка 1 м. При этом общий размер дифракционной или интерференционной картины, наблюдаемой при естественном освещении, не

превосходит 0,2 м. Распределения интенсивности могут наблюдаться в

прошедшем или отражённом свете визуально либо через любые оптиче-

ские системы переноса или передачи изображений.

Для наблюдения дифракции Френеля дополнительно между лазером и объективом может быть установлена положительная линза с фокусным

117

расстоянием 12-50 мм., преобразующая плоский волновой фронт в сферический.

Помимо исследований на оптической схеме каждая лабораторная работа может включать в себя измерение реальных структур на микроскопе с ценой деления 1…5 мкм.

ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ СТРУКТУР

Ряд А двойные щели с переменным расстоянием между щелями d и шири-

ной щели а:

Ряд С одинарные щели ширина а (в мкм) в порядке возрастания номера: 8;10; 12; 15; 20; 25; 30; 35; 40; 45; 50; 60; 70; 80; 90; 100.

Ряд В круглые отверстия диаметра d:

Центр: квадратная сетка из прозрачных штрихов шириной 6 мкм и периодами 50 мкм по обеим координатам. Общее число штрихов по каждой

координате – 100. Длина каждого штриха – 5 мм.

Идентификация номера структуры на объекте производится следующим образом (на примере ряда С объекта МОЛ-1). Внешний вид объекта

МОЛ-1 приведен на рис. 16 (более подробное описание см. Описание объ-

екта МОЛ-1).

После получения изображения дифракционной картины следует вра-

щением объекта МОЛ-1 вокруг оптической оси получить последовательно ряд изображений, как показано на рис. 17. Начало отсчета в нумерации структур следует установить по переходу от изображения 1 к изображению 16. Далее следует визуальный контроль числа дополнительных дифракци-

118

онных максимумов для структур 1 .. 16, визуализируемых на экране монитора, изменяя при необходимости уровень усиления и накопления. Допускается перенасыщение изображения центрального максимума.

Рис. 16. Схема расположения структур объекта МОЛ-1. Ряд С одинарные щели толщины d (в мкм) в порядке возрастания номера: 8;10; 12; 15; 20; 25; 30; 35; 40; 45; 50; 60; 70; 80; 90; 100.

ВНИМАНИЕ! Ввиду особенностей технологии изготовления тест-

объектов МОЛ-01-1 при использовании лазерных источников с длиной волны 633 и 650 нм покрытие имеет ха-

рактеристики полупрозрачного зеркала, и распределение в

центральном максимуме имеет сложную форму (интерференция прошедшего излучения с дифрагировавшим). Мак-

симумы более высоких порядков ("боковые") воспроизво-

дятся без искажений.

119