Vorobyev_Volnovaya_optika_Polyarizatsia

Блоки питания лазерного излучателя и фоторегистратора взаимозаменяемы. Выходное напряжение выведено через кабель на разъем типа СШ-5 (контакт 2 - минус, контакт 3 - плюс), который вставляется в одно из гнезд системы питания ЛКО или в гнездо питания фоторегистратора.

Рис. 9

Рис. 10.

81

ОБЪЕКТЫ

Набор изучаемых объектов находится в кассете в полости каркаса установки (рис.11). Объекты, как правило, смонтированы в экранах размерами 80X40X4 мм, которые вставляются в кассеты функциональных модулей. Номера объектов нанесены на экранах. В таблице приведен базовый набор объектов, являющийся частью расширенного набора, поэтому некоторые номера в перечне отсутствуют.

Рис. 11. Набор объектов в кассете

Большая часть объектов - тонкие пластины, пленки или линзы, расположенные в средней плоскости соответствующего экрана. При установке экрана в кассету функционального модуля эта плоскость оказывается напротив риски рейтера или иной характерной отметки на модуле. Тем самым определяется координата объекта на оптической скамье. Содержание объектов как правило, понятно из таблицы (стр.4). Поясним некоторые из них.

ОБЪЕКТ 1 - сетка с шагом 1 мм, используется для калибровки увеличения оптических устройств.

ОБЪЕКТ 5 - плоскопараллельная стеклянная пластина толщиной 4-8 мм. Точное значение толщины указывается в паспорте установки или определяется студентом самостоятельно.

ОБЪЕКТЫ 15-24 и 27-36 - пленки с определенным распределением коэффициента пропускания. Качество пленок соответствует требованиям голографии. Пленки чувствительны к механическим воздействиям, их нельзя трогать пальцами.

ОБЪЕКТЫ 25 и 25М - раздвижные щели. Щель 25М имеет шкалу с ценой деления 0,05 мм, по которой можно снимать "на глаз" отсчеты с разрешением 0,01 мм и погрешностью 0,02 мм.

ОБЪЕКТ 39 - пластина слюды толщиной 30-60 мкм (точное значение приведено в паспорте или определяется студентом). В плоскости пластины находятся две главные оси кристалла, соответствующие показателям пре-

ломления n1 1,590 n2 1,594.

ОБЪЕКТЫ 40 и 41 - кварцевые пластинки, толщина d которых определяется условием d n2 n1 2 m или d n2 n1 4 m ,при

82

этом d~l мм, что соответствует m ? 1. В базовом наборе эти объекты, как правило, отсутствуют.

ОБЪЕКТ 43 - кювета для газов, в которую ввернуты две короткие трубки (штуцеры) для подключения к пневмоблоку при измерении показателя преломления воздуха. Защитные стекла (окна кюветы) имеют резиновые уплотнения, обеспечивающие герметичность кюветы. Длина воздушного столба - 120 мм.

ОБЪЕКТ 44 - кювета для жидкостей. Предназначена для изучения оптических явлений при прохождении света через жидкость. Длина столба жидкости равна 120 мм.

Для заполнения жидкостью отворачивают крышку кюветы, снимают защитное стекло и наливают жидкость так, чтобы получить слегка выпуклый мениск. Затем кладут стекло на мениск и завинчивают крышку. Таким методом удается заполнить кювету без воздушных пузырей. Излишки жидкости вытирают чистой салфеткой.

ОБЪЕКТЫ 48 и 49 - кюветы для жидкости с толщиной слоя жидкости соответственно 10 и 20 мм. Предназначены для измерения показателя преломления жидкостей, а также для измерения показателя поглощения растворов путем сравнения интенсивности света, прошедшего через слои жидкости разных толщин.

Суммарная толщина двух стеклянных окон кюветы d2 = 3,4мм. ОБЪЕКТ 45 - свободный экран, в который студент может установить

интересующий его объект. Белая наклейка со шкалой служит экраном при наблюдениях в прямом пучке лазера.

ОБЪЕКТ 38 - фотодатчик (рис.12) содержит фотодиод в светонепроницаемой оправе. 1 с входным окном (отверстие диаметром 3 мм) в экране 2. Датчик установлен на стандартном экране 3 размерами 40X80 мм, который вставляется в кронштейны поворотного стола, при этом окно датчика оказывается на уровне оптической оси установки. С помощью зацепа 4 датчик можно подвесить на задней или боковой стенке каркаса установки. Датчик подключают непосредственно к микроамперметру (мультиметр на кронштейне, поз. 21 в перечне состава изделия, также подвешиваемый на стенку каркаса), и измеряют фототок в режиме "короткого замыкания".

Рис. 12. Фотодатчик

83

5.МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ПРИМЕНЕНИЮ

5.1.РАСПАКОВКА И ЗАПУСК УСТАНОВКИ

Для приведения установки из транспортного в рабочее состояние следует:

1.Распаковать установку (зимой - после выдерживания при комнатной температуре не мене 4 часов). Удалить амортизирующие прокладки.

2.Ввести разъем блока питания через окно в задней стенке установки и подключить его к одному из разъемов регулятора тока.

3.Подключить разъем кабеля лазера к разъему регулятора тока (может быть подключен в состоянии поставки.

4.Включить блок питания в сеть 220 В.

5.Реостатом регулятора тока установить удобную для экспериментов интенсивность излучения лазера.

5.2.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.

Положение оптической оси после юстировки определяется положением центра окна фотодатчика (объект 38, рис.12), вставленного до упора в кронштейны поворотного стола (модуль 13).

Как с линзой-насадкой, так и без нее, пучок света выходит из излучателя немного не параллельно оси трубы (поз.7 на рис.3.). При повороте трубы юстировка сбивается, и ориентацию излучателя следует поправлять перед каждым экспериментом.

Грубая юстировка (обозначения по рис. 3). Поворотом винтов 2 и 6 установите трубу с лазером в средней части корпуса и направьте пучок излучения приблизительно вдоль оптической скамьи.

Точная юстировка. Придвиньте стол с установленным в нем фотодатчиком к излучателю Поворотом передних винтов излучателя (поз.6 на рис.3) совместите центр пятна излучения лазера с центром окна излучателя.

Отодвиньте стол с фотодатчиком как можно дальше от излучателя. Поворотом задних винтов излучателя (поз.2 на рис.3) совместите центр светового пятна с центром окна излучателя. Операцию точной юстировки повторите 2-3 раза, пока смещение светового пятна от номинального положения при перемещении микропроектора не окажется меньше радиуса этого пятна.

84

В процессе эксперимента можно, смещая излучатель или исследуемые элементы винтами двухкоординатных держателей, перемещать картину на экране в положение, удобное для наблюдений или измерений.

5.3. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ИНТЕНСИВНОСТИ

Изучаемое распределение интенсивности или изображение объекта размещают и нужным образом ориентируют на окне фотодатчика. Для того, чтобы результат измерений не зависел от малых смещений и дрожаний луча, пучок расширяют с помощью линзы-насадки, и "наводят" на окно фотодатчика наиболее равномерную часть следа пучка.

Фотодатчик подключают к микроамперметру (предел 200 мкА или 2000 мкА) и измеряют ток "короткого замыкания". При таком режиме обеспечивается хорошая линейность измерений и отсутствие темновых токов. На рис.1 виден мультиметр, подвешенный на задней стенке установки. Этим прибором значения интенсивности показываются в условных единицах (микроамперах). Для нахождения интенсивности в абсолютных единицах необходима калибровка фотодатчика. В большинстве экспериментов важны лишь относительные значения интенсивности. Тогда калибровка не требуется, и используются условные значения интенсивности.

85

ПРИЛОЖЕНИЕ 4.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ МОДУЛЬНОГО ЛАБОРАТОРНОГО УЧЕБНОГО КОМПЛЕКСА

МУК-О (ПО ОПТИКЕ)

1.Назначение

1.1.Модульный учебный комплекс МУК-О или микролаборатория (в дальнейшем по тексту «комплекс») предназначен для проведения физического практикума в высших учебных заведениях по разделу волновая и квантовая оптика курса общей физики.

Комплекс позволяет проводить лабораторные работы по темам:

– интерференция света;

– дифракция света;

– закон Малюса;

– определение угла Брюстера;

– взаимодействие поляризованного света с оптически анизотропным веществом;

– тепловое излучение.

2.Технические данные

2.1.Длина волны лазерного излучателя 0,65 мкм.

2.2.Требуемое напряжение питания белого осветителя 0-15 В при токе

до 1 А.

2.3.Комплекс снабжен механическими отсчетными устройствами углов поворота.

3.Устройство и принцип работы блоков комплекса

3.1.Принцип работы оптического блока

Оптический блок (см. рисунок) состоит из основания 10, на котором установлены и закреплены электронный блок 11 и стойка 8, служащая вертикальной оптической скамьей. На стойке смонтированы следующие оптические узлы:

Устройство 1 с полупроводниковым лазерным и белым осветителями. Белый осветитель представляет собой зеркальный отражатель, в котором смонтирована лампа накаливания, свет от которой, отразившись от плоского зеркала и, пройдя конденсорную систему, выводится вертикально вниз.

86

Турель 2, на которой смонтированы объекты исследования для лабораторных работ по интерференции и дифракции. Каждый из объектов закреплен на вращающейся втулке, горизонтальная ось которой совпадает с серединой объекта. Втулка снабжена стрелкой, а основание – угломерной шкалой и пиктограммой объекта исследования.

Оптический блок.

87

Поляризатор 4 закреплен на турели во вращающейся обойме со стрел- кой-указателем и транспортиром. При выполнении работ, в которых не требуется поляризатор, турель поляризатора поворачивается на 90 и выводится из рабочей зоны.

Турель 5 с образцом оптически анизотропного вещества, используемым в работах по поляризации света.

Устройство 6 с матовой полупрозрачной шкалой 9, содержащее поворотную стеклянную пластинку, использующуюся в опытах по изучению закона Брюстера.

Турель с анализатором 7, выполненным аналогично 4.

3.2. Электронный блок 11 содержит:

–блоки электропитания лазерного и белого источников света с цифровым индикатором регулируемого напряжения и силы тока белого источника;

–блок фотоприемников с цифровым индикатором относительной интенсивности принимаемого света.

4. Подготовка комплекса к работе

4.1.Установка комплекса на рабочее место: снимите защитный чехол, установите прибор так, чтобы он занял удобное положение на рабочем столе. Важно, чтобы на это место не попадал слишком сильный посторонний свет.

4.2.Описание органов управления

4.2.1. Оптический блок При включении электропитания комплекса кнопкой 22 включается ли-

бо лазерный, либо белый источник света. Выбор нужного источника производится кнопкой 17 и подтверждается индикаторами 14.

Для проведения работ по дифракции и интерференции поворотом турели 2, на пути лазерного луча устанавливается соответствующий объект исследования, при этом все расположенные ниже турели поворачиваются в сторону, и выводится из рабочей зоны.

При проведении работ по поляризации верхняя турель 2 устанавливается так, чтобы луч света проходил через свободное отверстие, предусмотренное в этой турели. При работе с источником белого света необходимо учитывать, что его пучок выходит правее лазерного пучка. Ниже по ходу распространения света в пучок вводятся предусмотренные заданием объекты исследования.

4.2.2. Электронный блок

88

Электронный блок содержит следующие органы управления, коммутации и индикации:

–кнопка включения «сеть» 22;

–кнопка переключения фотоприемников 19 с индикаторами факта подключения данного фотоприемника 21;

–два окна 23 в верхней крышке электронного блока, одно из которых предназначено для лазерного, а другое - для белого света, под которыми расположены фотоприемники с узкой и широкой полосой принимаемого излучения;

–ручку установки «Jmax» 18;

–цифровой индикатор величины относительной интенсивности принимаемого излучения 20;

–кнопка переключения лазерного и белого источника света 17 с подтверждающими индикаторами 14;

–цифровой индикатор величины напряжения и силы тока электролампы белого источника света 12;

–кнопка 16 переключения цифрового индикатора с индикации напряжения на индикацию силы тока источника белого света с подтверждающими сигнализаторами 13;

–ручка управления напряжением питания электролампы белого источника 15.

Порядок выключения комплекса

Если работа с измерительным прибором закончена, нажать кнопку «Сеть» и отключить электронный блок.

Вынуть вилку электронного блока из розетки сети 220 В.

89

ПРИЛОЖЕНИЕ 5.

ОСНОВНЫЕ ФОТОМЕТРИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ И ИХ ЕДИНИЦЫ

Фотометрия — раздел оптики, занимающийся вопросами измерения интенсивности света и его источников. В фотометрии используются следующие величины:

1.Энергетические — характеризуют энергетические параметры оптического излучения безотносительно к его действию на приемники излучения;

2.Световые — характеризуют физиологические, действия света и оцениваются по воздействию на глаз (исходят из так называемой средней чувствительности глаза) или другие приемники излучения.

1. Энергетические величины

Поток энергии излучения через некоторую поверхность - это мощность излучения, проходящего через эту поверхность:

Wэн t

где W - энергия, перенесенная через поверхность за малый интервал времени t. Единица потока излучения — ватт (Вт).

Энергетическая светимость (интенсивность излучения)

где S - поверхность, перпендикулярная направлению распространения излучения, через которую переносится поток эн , т. е. представляет собой поверхностную плотность потока излучения. Единица энергетической светимости — ватт на метр в квадрате (Вт/м2).

Энергетическая сила света (сила излучения) Ie определяется с помощью понятия о точечном источнике света — источнике, размерами которого по сравнению с расстоянием до места наблюдения можно пренебречь. Энергетическая сила света Ie - величина, равная отношению потока излучения эн источника к телесному углу , в пределах которого это излучение распространяется:

Ie эн

Единица энергетической силы света — ватт на стерадиан (Вт/ср). Энергетическая яркость (лучистость) Be - величина, равная отноше-

нию энергетической силы света Ie элемента излучающей поверхности к

90