Выполнение измерений

Установка для проведения экспериментов схематически представлена на рис.3.

6

4 5

2 3

1

Рис.3

На оптической скамье 1 установлен He-Ne лазер 2, луч которого, проходя через отверстие в непрозрачном экране 3, ограничивается в диаметре размером отверстия. Имеется набор сменных экранов с отверстиями разных диаметров. Лазерный луч заданного диаметра проходит через линзу 4 и фокусируется на поверхности матового стекла 5. Рассеянное матовым стеклом излучение наблюдают на экране 6. Если матовое стекло 5 установить в фокусе линзы 4, то диаметр d фокального пятна на матовом стекле в дифракционном приближении находят по формуле

d = 1,22 r/D , ( 7 )

где r – фокусное расстояние линзы, D – диаметр лазерного луча, заданный диаметром отверстия в экране 3.

Измерения производятся в соответствии с указанным ниже порядком, а все результаты заносят в нижеприведенную таблицу.

№	D, мм	r, мм	d, мм	z, мм	xo, мм	<xo>, мм	x, мм
1. 2 3. 4. 5.

Символы в данной таблице означают следующее:

D – диаметр лазерного луча (диаметр отверстия в экране 3),

r – фокусное расстояние линзы,

d - диаметр фокального пятна на матовом стекле (по формуле (7)),

z – расстояние от матового стекла до экрана наблюдения,

x_o- размер спекла,

<x_o> - усредненный размер спеклов,

x – теоретический размер области когерентности на экране наблюдения, рассчитанный по формуле (3) для излучения теплового источника света.

Работа состоит из двух заданий.

Задание 1. Наблюдение спеклов.

В луч лазера устанавливается экран 3 с самым большим отверстием, и на экране 6 наблюдается спекл-картина. При изменении (путем перемещения линзы 4 вдоль оптической скамьи) размера освещенного участка матового стекла наблюдается изменение спекл-структуры на экране 6. Зафиксируйте (качественно) связь размера освещенного участка матового стекла со средним размером спеклов.

Задание 2. Проверка соответствия среднего размера спеклов и размера области когерентности.

Фокусирующая линза 4 устанавливается в положение, при котором размер спеклов на экране 6 максимален.

На пути луча лазера устанавливают поочередно экраны 3 с отверстиями различного диаметра и производят измерение средних размеров спеклов, полученных при этом на экране 6. Измерение размеров спеклов производят линейкой по уровню интенсивности света, составляющей 1/2 от максимальной в центре спекла. Для каждого диаметра отверстия в экране 3 размер спеклов измеряют не менее пяти раз по разным спеклам. Находят средний размер спекла для каждого отверстия и все данные заносят в таблицу.

По формулам (7) и (3) вычисляют размеры областей когерентности в плоскости экрана 6 для всех диаметров отверстий в экране 3 (в предположении, что матовое стекло движется в своей плоскости и что светящееся пятно на нем моделирует тепловой источник света). Результаты вычислений заносят в таблицу.

Найденный экспериментально средний размер спеклов сопоставляют с теоретически предсказываемым размером области когерентности. В случае несоответствия объясняют причину расхождения.

Контрольные вопросы

1. Что такое временная и пространственная когерентность?

2. Как связана длина когерентности с шириной спектра излучения источника?

3. Как связан размер области когерентности с размером источника?

4. Что такое спекл-эффект?

5. От чего зависит средний размер элементов спекл-структуры?