Методички / ПРАКТИКУМ 15-Д_дифракция

МИНИСТЕРСТВО ЦИФРОВОГО РАЗВИТИЯ, СВЯЗИ И МАССОВЫХ КОММУНИКАЦИЙ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Ордена Трудового Красного Знамени

Федеральное государственное образовательное бюджетное учреждение

высшего профессионального образования

Московский технический университет связи и информатики

Кафедра направляющих телекоммуникационных сред

ПРАКТИКУМ № 15-Д

ИЗМЕРЕНИЕ ТОЛЩИНЫ ОДНОМОДОВОГО ОПТИЧЕСКОГО ВОЛОКНА

Москва 2022

План УМД 2022/2023 уч. год

ПРАКТИКУМ № 15-Д

ИЗМЕРЕНИЕ ТОЛЩИНЫ ОДНОМОДОВОГО ОПТИЧЕСКОГО ВОЛОКНА

Составители:	Колесников О. В., к.т.н., доцент.
	Колесников В. А., к.т.н., доцент.
	Пчелкина Н.В. к.т.н. доцент.

Изложена методика определения первичных параметров симметричных кабелей, особенности и порядок их расчета.

Издание утверждено на заседании кафедры. Протокол № 2022-06 от 28.06.2022 г.

Рецензент: Машковцева Л.С., к.х.н., доцент

1. Цель работы

Ознакомление с понятием дифракции оптического излучения и изучение принципов получения дифракционной картины

2. Задание

2.1 Собрать экспериментальную схему

2.2 Получить дифракционную картину на одномодовом оптическом волокне для заданной длины волны

2.3 Рассчитать толщину волокна по предложенной методике

3. Оборудование

3.1 Источник лазерного излучения

3.2 Стойка с одномодовым оптическим волокном

3.3 Экран

3.4 Линейка

4. Методические указания по выполнению работы

5. Дифракция

Дифракция света – это совокупность физических явлений, обусловленных волновой природой света, наблюдаемых при распространении ограниченных в пространстве пучков света, а также в среде с резко выраженной оптической неоднородностью (например, при прохождении через отверстия в экранах, вблизи границ непрозрачных тел и т.п.). В более узком смысле этого слова под дифракцией понимают: огибание светом различных препятствий; проникновение волны в область геометрической тени; т.е. отклонение от законов геометрической оптики.

Для описания этого явления Гюйгенс, впервые обосновавший волновую теорию света, предложил следующее построение. Каждая точка волнового фронта принимается за источник вторичных волн, распространяющихся во все стороны, при этом волновой фронт в любой последующий момент времени есть огибающая этих вторичных волн. Френель дополнил принцип Гюйгенса утверждением, что в любой момент времени световое поле в рассматриваемой точке есть результат интерференции вторичных волн. Это сочетание построения Гюйгенса с принципом интерференции называется принципом Гюйгенса-Френеля, который позволяет количественно описать дифракционные явления.

4. Дифракция Фраунгофера на щели

Приближение геометрической оптики применимо лишь, если размер освещаемых объектов много больше размера 1-й зоны Френеля , где - длина световой волны, - расстояние от объекта до точки наблюдения. При приближении размера объекта к размеру зон Френеля отклонения от законов геометрической оптики, приводящие к возникновению дифракции, проявляются сильнее. Согласно принципам геометрической оптики за непрозрачным объектом должна находиться резкая геометрическая тень. В случае волновой оптики вместо резкой тени получается сложное распределение интенсивности, называемое дифракционной картиной.

Рисунок 1 – Дифракция Фраунгофера на щели

Для простоты обратимся к результатам дифракции Фраунгофера на щели:

Такая дифракционная картина состоит из центрального максимума и побочных минимумов меньшей интенсивности (рисунок 1). Положение минимумов такой картины в приближении малых углов описывается следующим соотношением:

, (1)

где – номер минимума, – расстояние от щели до экрана. Точно так же (за исключением области вблизи ) выглядит дифракционная картина от тонкой проволоки или волоса.

5. Порядок выполнения работы

1. Для начала необходимо ознакомиться с мерами безопасности при работе с лазерным оборудованием, основные требования приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Меры безопасности при работе с лазерным излучением

МЕРЫ БЕЗОПАСНОСТИ
	Не направлять лазерный луч в глаза или на кожу
	Использовать защитные очки
	Не направлять лазерный луч на посторонние предметы
	Осторожно обращаться с металлическими и стеклянными предметами вблизи работающего лазера

2. Собрать экспериментальную схему, представленную на рисунке 2.

Рисунок 2 – Экспериментальная схема

3. Включить лазерный блок, установить зеленую рабочую длину волны (532 нм).

4. Засветить оптическое волокно лазерным излучением таким образом, чтобы на экране появилась четкая дифракционная картина. Для того, чтобы картина была более контрастной, рекомендуется проводить эксперимент в отсутствии дополнительного освещения.

5. Замерить расстояние между минимумами дифракционной картины (рисунок 1).

6. Замерить расстояние между плоскостью расположения оптического волокна и экрана .

7. Результаты измерений занести с таблицу 2 и с помощью формулы (1) рассчитать толщину оптического волокна.

Таблица 2 – Результаты измерений

Рабочая длина волны лазерного блока , нм	Расстояние между оптическим волокном и экраном L, мм	Расстояние между минимумами дифракционной картины ∆х, мм	Толщина оптического волокна d, мкм
Зеленая - 532
Красная - 660

5. Повторить измерения для красной рабочей длины волны (660 нм) лазерного блока. Сравнить полученные результаты.

6. Содержание отчета

1. Цель работы теоретические сведения

2. Рисунок и описание экспериментальной схемы

3. Фото дифракционной картины

4. Таблица 2

5. Необходимые расчеты

6. Вывод

7. Контрольные вопросы

1. Что такое дифракция света?

2. В чем суть принципа Гюйгенса-Френеля?

3. Как образуется дифракционная картина?

4. Как образуются зоны Френеля?

5. Как влияет рабочая длина волны лазерного блока на дифракционную картину?

6. Каким образом можно замерить толщину тонкой проволоки?

8. Список источников

1. Элементарный учебник физики: учебное пособие: в 3 томах / под редакцией Г. С. Ландсберга. — 15-е изд., испр. — Москва: ФИЗМАТЛИТ, 2021 — Том 3: Колебания и волны. Оптика. Атомная и ядерная физика — 2021. — 664 с. — ISBN 978-5-9221-1591-9. — Текст: электронный // Лань: электронно-библиотечная система. — URL: https://e.lanbook.com/book/185693.

2. Методическое пособие «Изучение дифракции света» — М.: МФТИ, 2005

(https://mipt.ru/education/chair/physics/S_IV/Opt_man/5.12.pdf).