Контрольные вопросы

1. Объясните принцип действия рефрактометра Аббе.

2. В чем заключается полное внутреннее отражение? Законы преломления.

3. Каков физический смысл абсолютного показателя преломления?

4. В чем заключается явление дисперсии?

5. Какова зависимость показателя преломления от длины волны?

Волновая оптика.

Лабораторная работа № 3

«Определение длины волны лазера при помощи

дифракционной решетки»

Цель работы: изучение дифракционной картины от дифракционной решетки и определение длины волны излучения лазера.

Приборы и материалы:газовый лазер с блоком питания, дифракционная решетка, экран, измерительная линейка.

Теоретическое введение

Волновая оптика исследует оптические явления, в которых проявляется волновая природа света: интерференция, дифракция, поляризация и дисперсия света

Интерференция– независимое наложение двух или нескольких когерентных волн с последующим перераспределении световой энергии, которое проявляется в чередовании (на экране) максимумов и минимумов интенсивности света. Интерферируют толькокогерентные волны– волны одинаковой частоты и постоянной разностью фаз∆φ, не изменяющиеся со временем.

Перераспределение энергии зависит от ∆φсветовых колебаний, приходящих в данную точку экрана:

Если ∆φ = 2kπ, колебания придут в одинаковых фазах, что приводит к усилению (max) света.

Если ∆φ = 2(k + 1)∙π, колебания придут в противофазах и будет наблюдаться ослабление (min) света.

Разность фаз связана с разностью хода ∆известным соотношением:

С учетом этого условия максимумов и минимумов принимают следующий вид:

условие максимума- ;

условие минимума- .

Таким образом, если на разности хода ∆укладываетсяцелое числодлин волн, наблюдаетсяусилениесвета, еслине целое, то –ослабление.

Дифракция света– это огибание световой волной препятствий с последующим интерференционным перераспределением энергии. В результате на экране наблюдается дифракционная картина – чередование максимумов и минимумов световой энергии. Явление дифракции может быть объяснено с помощью принципа Гюйгенса – Френеля.

Согласно этому принципу каждая точка фронта волны в некоторый момент времени tявляется источником вторичных сферических волн, распространяющихся с характерной для данной среды скоростью «V». Огибающая вторичных волн дает фронт волны в момент времени (t + ∆t).

Все точки фронта волны колеблются с одинаковой частотой и фазой, то есть являются когерентными и интерферируют. Результат интерференции в любой точке пространства зависит от оптической разности хода и соотношения амплитуд слагаемых колебаний.

Большое практическое значение имеет дифракция, наблюдаемая при прохождении света через дифракционную решетку.

Дифракционная решетка – совокупность строго параллельных щелей, равной ширины «а», лежащих в одной плоскости и разделенных строго равными по ширине непрозрачными промежутками «b». Величина, равная сумме а и в называется постоянной (периодом) «d» решетки:d = а + b. Период решетки определяет число нулейN₀, приходящихся на единицу длины.

При нормальном падении на решетку параллельных лучей, свет, проходя через узкие прозрачные щели, испытывает дифракцию (рис.1).

Отклонение лучей происходит под разными углами дифракции φ.

Так как каждую щель можно считать самостоятельным источником когерентных колебаний, то на экране в фокальной плоскости линзы будет происходить сложение многочисленных пучков лучей t, происходящих в различные точки с разными фазами колебаний: происходит многолучевая интерференция. На экране будет наблюдаться чередование светлых (max) изображений щелей и темных (min). Если источник света монохроматический, то изображения щелей будут окрашены в один цвет.

Возникновение светлого и темного изображения в данном месте экрана зависит от разности хода ∆ интерферирующих лучей. Если разность хода , в данной точке экрана наблюдается максимум. Из рис.1 получаем, что разность хода между собственными лучами, идущими от соседних щелей, равна .

Следовательно, условием максимумов будет

,

где k = 0, ±1, ±2, ±3, … - порядок максимума (спектра).

При k = 0наблюдается светлое изображение нулевого порядка, соответствующееφ = 0.

При k = ±1симметрично по обе стороны от центрального максимума наблюдаются максимумы первого порядка, приk = ±2– второго и т.д.

В данной работе метод определения длины волны излучения лазера заключается в том, что дифракционный спектр рассматривается прямо на экране и роль линзы выполняет хрусталик глаза (рис.2).

ℓ - расстояние от решетки до экрана;

x– расстояние между центрами светлых полос для спектров 1, 2 и 3 порядков.