Опис установки і методика виконання роботи

Для дослідження інтенсивності дифракційних максимумів прилади розташовують за схемою, зображеної на рис.4.6

Рис.4.6 Схема установки: 1 – лазер, 2 – дифракційна гратка, 3 – фотометр, 4 – вольтметр В7-37.

Фотометр закривають чорним папером, у центральній частині якої прорізана щілина шириною 2 мм, а над нею приклеєна з цупкого паперу стрілка-покажчик. Фотометр встановлюють у легку триногу (наприклад, з набору лінз і дзеркал) і розташовують на рівні осі лазерного випромінювання. Дещо вище фотометра перпендикулярно до випромінювання розташовують лінійку, закріплену в лапці іншого штатива так, щоб нульовий головний дифракційний максимум попадав на її середину.

Загальний вигляд установки подано схемою на рисунку 4.6.

Вмикають лазер і коректують розташування усіх деталей. Змінюючи положення фотоелемента від одного кінця лінійки до іншого, помічають наявність максимальних і мінімальних відхилень стрілки гальванометра, тобто фіксують положення головних максимумів.

Переміщуючи фотометр у зворотному напрямку через кожні 5 мм, записують значення фотоструму в залежності від відстані щодо центрального /нульового/ максимуму. Тим самим досліджують розподіл світлової енергії в дифракційних максимумах.

За даними вимірювань будують графік залежності фотоструму від відстані, що відповідає зміщенню фотоелементи від середини до країв лінійки, тобто будують криву розподілу інтенсивності лазерного випромінювання у дифракційному спектрі. При наявності синусоїдальних ґраток вимірювання проводять і для таких дифракційних ґраток. Порівнюють отримані графіки і роблять відповідні висновки.

Порядок виконання роботи

1. Зібрати установку за схемою, показаною на рисунку 4.6.

2. Під контролем викладача увімкнути лазер і розташувати деталі вздовж осі випромінювання так, щоб центральний максимум попадав у центр лінійки.

3. Встановити шкільні ґратки і записати покази гальванометра при зсуві фотометра уздовж лінійки через кожні 5 мм. При розташуванні фотоелемента із щілиною в область головних максимумів зміщення доцільно зменшити до 2...3 мм.

4. За отриманими результатами вимірювань побудувати графік - криву інтенсивності дифракційних максимумів для кожної з ґраток.

5. Використовуючи отримані в роботі результати вимірювань, визначити період кожної з дифракційних ґраток.

6. За даними вимірювань зробити висновки про виконану роботу.

Контрольні питання

1. Що таке дифракційна ґратка і яке її призначення?

2. Як розподіляється світлова енергія у дифракційному спектрі?

3. Які труднощі виникають при виготовленні звичайних релеєвських ґраток?

4. Чим відрізняється інтенсивність дифракційних спектрів для звичайної і голографічної ґраток?

Лабораторна робота № 7. Вивчення комплекту навчального лазера лгн-109 і виконання демонстраційних дослідів з ним

Обладнання: комплект навчального лазера ЛГН-109, оптична лава ФОС −115 з обладнанням, лінза №1 і №3, біпризма Френзеля, подвійна щілина Юнга, дзеркало, різні об’єкти для спостереження дифракції, екран, сітка, штатив універсальний (2шт.), дифракційні гратки 5 лін/мм (2 шт.).

Короткі теоретичні відомості

Висока монохроматичність і когерентність лазерного випромінювання дозволяють достатньо легко і ефективно здійснити демонстрації основних дослідів з інтерференції і дифракції світла. Крім того, за допомогою навчального лазера можна гарно ілюструвати роль дифракції під час отримання оптичного зображення для будь-якого предмета. Цей класичний дослід Аббе, що переконливо доводить значення дифракційних максимумів високих порядків в отриманні зображення предмета, стає зрозумілим при аналізі схеми, зображеної на рис.4.7

П

Рис.4.7. Оптична схема досліду Аббе

аралельний пучок 1 монохроматичного випромінювання ОКГ падає перпендикулярно на дифракційну гратку 2 і за допомогою лінзи 3 дає чітке збільшене зображення штрихів решітки на екрані 6.

Із [17, 25] відомо, що в результаті дифракції при проходженні світла через дифракційну гратку у фокальній площині 4 утворяться головні дифракційні максимуми. Положення цих максимумів визначається із формули гратки (1, 2,….) і вказує порядок максимуму. Головний нульовий максимум лежить на оптичній вісі, максимуми першого порядку1 спостерігаються під кутами , максимуми другого порядку2 під кутами і т.д. Всі дифракційні максимуми відповідають когерентним хвилям, оскільки випромінюються одним лазером. Таким чином, зображення гратки, отримане за допомогою лінзи 3 на екрані 6, є результатом накладання хвиль від усіх максимумів (1, 2,….) і т.д. Ці хвилі, накладаючись на екрані, дають чітке зображення щілин гратки.

Якщо будь-якою перешкодою (наприклад, щілиною 5) перекрити максимуми високих порядків (наприклад, починаючи з 1 ), то зображення щілин гратки на екрані повинне утворитися тільки нульовим максимумом. Таке можливе у випадку, якщо падаючий на гратку паралельний пучок світла не зазнає дифракції. А це значить, що в даному випадку гратка відсутня. Звідси випливає, що її зображення також відсутнє, хоча пучок світла досягає екрана і освітлює його.

Головні дифракційні максимуми перших порядків розміщуються під невеликими кутами. Ці максимуми утворюються елементами великих розмірів предмета. Відповідно при отриманні зображення великі елементи предмета створюються максимумами перших порядків.

Головні дифракційні максимуми високих порядків утворюються дрібними елементами предмета. Ці максимуми розміщуються під великими кутами і в зображенні предмета відтворюють його дрібні деталі.