Четвертый семестр (вечерка) / Лабораторные работы / 1. Лабораторная работа №3 / Лабораторная работа №3, первая. Дифракция лазерного излучения

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)»

Кафедра физики

ОТЧЕТ

по лабораторной работе № 3

«Дифракция лазерного излучения»

Выполнил : Попов Алексей Павлович

Группа № 8802

Преподаватель: Чурганова Серафима Сергеевна

Оценка лабораторного занятия
Вопросы	Подготовка к лабораторной работе	Отчет по лабораторной работе	Коллоквиум	Комплексная оценка

Санкт-Петербург, 2020

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3

Дифракция лазерного излучения

Работа № 3. Дифракция лазерного излучения

Цель работы: исследования дифракционной картины, получаемой в результате дифракции света в параллельных лучах на одиночной щели, одномерной и двумерной дифракционных решетках.

Схема установки.

Устройство модульного учебного комплекса по волновой оптике (МУК - ВО)

Рис. 1

Экспериментальная установка представляет собой модульный учебный комплекс по волновой оптике (МУК - ВО). Установка состоит из механического и электронного блоков.

Механический блок 1 (рис 3.1) представляет собой основание 10, на ко-тором установлены и закреплены: электронный блок 11; стойка 8, служащая вертикальной оптической скамьей, и блок осветителей. На стойке смонтированы оптические узлы 4 - 11, которые имеют возможность поворачиваться и выводиться из поля зрения, если при выполнении эксперимента они не используются. При выполнении данной лабораторной работы используются следующие устройства:

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

защитный экран 3, который предназначен для защиты от отраженного от дифракционного элемента лазерного луча.

Электронный блок содержит кнопки управления, коммутации и индикации (11 – 24). В данной работе используются: кнопка включения электронного блока «Сеть» 22, кнопка включения лазера 17, окно фотоприемника лазерного излучения 24.

Основные расчетные формулы

1. Расчетная формула для определения ширины щели b для каждого порядка k:

,где L – расстояние от щели до экрана, λ – длина волны, x_k – координаты минимумов на экране относительно его центра дифракции на щели

2. Расчетная формула для определения положения главных максимумов x_n для каждого порядка n:

3. Расчетная формула для определения периода дифракционной решетки d:

4. Расчетная формула для определения эффективного периода дифракционной решетки:

d^* = d cos θ,

где θ – угол поворота дифракционной решетки

5. Расчетная формула для определения периода двумерной дифракционной решетки d₁, d₂:

ПРОТОКОЛ НАБЛЮДЕНИЙ

Лабораторная работа №3

Дифракция лазерного излучения

1. Константы эксперимента L, λ.

L, см	θL, см	λ, нм	θλ, нм
150	2	650	5

2. Выборка значений ширины щели (θ_xk = 0.5 мм)

k	3	2	1	-1	-2	-3
xk	97,5	65	32,5	-32,5	-65	-97,5
b = kλL/xk	1,5	1,5	1,5	1,5	1,5	1,5
	0,052	0,052	0,052	0,052	0,052	0,052

3. Выборка значений постоянной решетки (θ_xm = 0.5 мм)

k	3	2	1	-1	-2	-3
xm
d = kλL/xm

4. Определение периодов двумерной дифракционной решетки.

k1	0	0	1	-1
xk1	0	0
d1=k1λL/xl1	-	-			d1=
k2	1	-1	0	0
yk2			0	0
d2=k2λL/yk2			-	-	d2=

Экспериментальный макет:

L – 370 мм, θL – 2 мм, λ – 650 нм, θλ - 5 нм.

Выполнил Попов А.П.

Факультет электроники

Группа № 8802

“____” __________ _____

Преподаватель: _________________

Обработка результатов эксперимента.

1. Расчет ширины щели b для максимума 1 порядка.

b = (1 * 650 * 10^-9 * 150 * 10^-2) / (32,5 * 10^-3) = 1,5 * 10^-6 м.

Ширина щели для максимумов других порядков рассчитывается аналогично. Результаты вычислений занесены в таблицу 1.

В связи с виртуальным выполнением лабораторной работы, допустить погрешности при измерении невозможно. Результат расчета с переносом погрешностей приборов:

b = 1.5 ± 0.1 мкм.

Ответы на контрольные вопросы.

1. Как определить координаты максимумов и минимумов при дифракции Фраунгофера от одной щели?

Ответ.

Координаты минимумов и максимумов на экране относительно его центра при дифракции на щели определяются соответственно:

2. Как определить интенсивность света при дифракции Фраунгофера на дифракционной решетке?

Ответ.

Если бы колебания, приходящие в точку наблюдения от различных щелей, были некогерентными, результирующая картина от N щелей отличалась бы от картины, создаваемой одной щелью, лишь тем, что все интенсивности возросли бы в N раз. Однако колебания от различных щелей являются в большей или меньшей степени когерентными; поэтому результирующая интенсивность будет отлична от NI_φ. Будем считать, что радиус когерентности падающей волны намного превосходит длину решетки, так что колебания от всех щелей можно считать когерентными друг относительно друга. В этом случае результирующее колебание в точке наблюдения, положение которой определяется углом φ, представляет собой сумму N колебаний с одинаковой амплитудой A_φ, сдвинутых друг относительно друга по фазе на одну и ту же величину δ. Тогда по формуле интенсивности I при интерференции N рассматриваемых лучей (интенсивность пропорциональна квадрату амплитуды):

3. Как определяются положения главных максимумов (минимумов) для дифракционной решетки?

Ответ.

Координаты главных минимумов и максимумов соответствуют формулам:

4. Как связаны между собой период и эффективный период дифракционной решетки?

Ответ. Эффективный период d^*

d^* = d cos θ

5. Что представляет собой двумерная дифракционная решетка?

Ответ.

Двумерная решетка представляет собой скрещенные перпендикулярно друг другу решетки с периодами d1 и d2, причем часто d1 = d2.

6. При каких условиях наблюдаются главные максимумы на двумерной дифракционной решетке?

Ответ.

При достаточном количестве щелей N₁ и N₂.

7. Где нашли применение двумерные дифракционные решетки?

Ответ.

В первую очередь в исследовании свойств света. Доступное потребителю применение нашлось в спектрографии (CD диски)

8. Влияет ли количество щелей на дифракционную картину, наблюдаемую в данной лабораторной работе?

Ответ.

Изменение количества щелей значительно увеличивает интенсивность светового потока и число наблюдаемых максимумов.