ИЗУЧЕНИЕ ФАЗОВОЙ ДИФРАКЦИОННОЙ РЕШЕТКИ

 

Цель: изучение основных спектральных свойств дифракционной решетки, определение периода решетки.

 

Введение

 

Фазовая решетка — пластинка с периодически меняющейся оптической толщиной. При прохождении света через такую пластинку происходит пространственное модулирование фазы световой волны (см. § 10 разд.3).

В работе применяется фазовая решетка, представляющая собой стеклянную пластинку с нанесенным на нее слоем фотоэмульсии переменной толщины. Толщина слоя меняется по закону

                            H(x) = h₀ – hcos(2px / d),                          (1)

где h₀ — средняя толщина слоя; d — период решетки. Рассмотрим падение плоской световой волны на решетку (рис.1). При этом различные участки фронта световой волны, сохраняя неизменной амплитуду колебаний, будут проходить через решетку за разные времена. В результате фаза световой волны на выходе решетки d(x) = (n – 1)H(x)/l₀ является периодически меняющейся функцией (n — показатель преломления слоя, l₀ — длина волны в вакууме). Таким образом, из решетки выйдет световая волна, волновая поверхность которой уже не плоская, а имеет синусоидальный профиль.

Рис.1

При нормальном падении света на решетку (j₀ = 0) положение максимума k-го порядка определяется условием

                                    dsinj_k = ±kl₀.                                  (2)

Важными характеристиками дифракционной решетки, как спектрального прибора, являются угловая дисперсия и разрешающая способность (см. § 10 разд.3).

Угловая дисперсия определяется по формуле:

                         D = dj/dl = k/dcosj = tgj/l,                      (3)

а разрешающая способность:

                                       l/dl = kN,                                     (4)

где k — порядок спектра; N — число действующих штрихов решетки. Число действующих штрихов определяется по формуле (5), приведенной во введении лабораторной работы 3.3, при cosj₀ = 1:

                                        ,                                      (5)

где y — угловой размер источника, равный в данной работе величине a/F (a — размер входной щели коллиматора; F = 400 мм — фокусное расстояние коллиматора).

 

Описание установки

 

Оптическая схема установки показана на рис.2, где 1 — ртутная лампа; 2 — коллиматор, в передней фокальной плоскости которого расположена узкая раздвижная щель; 3 — фазовая дифракционная решетка, расположенная перпендикулярно оптической оси коллиматора 2; 4 — зрительная труба, в фокальной плоскости объектива которой наблюдают линейчатый спектр.

Окуляр зрительной трубы снабжен автоколлимационным устройством, позволяющим устанавливать ось трубы строго перпендикулярно к интересующей нас плоскости, например к плоскости решетки. Принцип действия этого устройства состоит в следующем. Лампочка 5 освещает прозрачный крест на пластине 6. Прошедшие через нее лучи отражаются от полупрозрачной диагональной грани стеклянного кубика 7, проходя через объектив трубы, и, отразившись от некоторой плоской поверхности, возвращаются в трубу, образуя в фокальной плоскости 8 ее объектива изображение светлого автоколлимационного креста. Если плоская поверхность перпендикулярна к оси трубы, то изображение этого креста совместится с визирным крестом, расположенным в плоскости 8.

 

 

Рис.2

 

 

Рис.3

 

Работа проводится на гониометре (рис.3). Описание гониометра и правила работы с ним содержаться в п.5 «Методических рекомендаций».

 

Задание 1

 

Подготовка установки к измерениям

 

При выполнении данного задания любое изменение положения решетки осуществляется только с разрешения преподавателя или дежурного сотрудника; п.3 выполняется дежурным сотрудником или лаборантом, если не наблюдается автоколлимационный крест.

1. Проследите, чтобы плоскость решетки была перпендикулярна к оси одного из винтов наклона столика (назовем его винтом А, а другой — винтом В) и к оптической оси коллиматора 2. Вращением оправы окуляра трубы добейтесь четкого изображения визирного креста. Поворачивая винт 2, установите по шкале коллиматора (с противоположной стороны этого винта) нуль напротив . При этом щель коллиматор окажется в передней фокальной плоскости его объектива. Рычажок 13 должен быть поднят.

2. Включите ртутную лампу. Проверьте, чтобы входная щель коллиматора была хорошо освещена.

3. Включите внутреннюю подсветку тумблером «Вкл». Раскрепив винт 11, установите зрительную трубу по нормали к решетке и приложите к объективу трубы толстую стеклянную пластинку. Вращая винт 6 трубы, получите изображение светлого автоколлимационного креста. В этом положении трубу закрепите винтом 11 (студентами не выполняется).

4. Включите внутреннюю подсветку тумблером «Вкл». Отыщите изображение светлого автоколлимационного креста при отражении от поверхности решетки, тщательно сфокусируйте светлый крест винтом 6. Откройте щель и убедитесь, что автоколлимационный крест совпадает с центром белой линии. Если они не совпадают, предварительно раскрепив винт 16, следует повернуть столик до совмещения креста с белой линией. В этом положении столик скрепить с лимбом винтом 16.

5. Проследите, чтобы соответствующий отсчет по шкале лимба не выходил за пределы интервала углов от 90 до 270°. В противном случае нажать на рукоятку 10 и, вращая ее, ввести требуемый участок лимба (это нужно для того, чтобы при дальнейших измерениях не переходить через нуль шкалы лимба, что вызвало бы некоторое усложнение при определении разности отсчетов). В этом положении лимба закрепите столик на оси прибора винтом 14.

6. Устраните возможный перекос спектра. Центры линий-отрезков должны быть на одном уровне — горизонтальный штрих визирного креста при повороте трубы должен пересекать их по середине. Если это не так, отрегулируйте наклон столика — главным образом винтом наклона В (см. п.1).

Юстировку прибора можно считать законченной, если при повороте зрительной трубы центр светлого автоколлимационного креста совпадает с центром белой линии и центры всех линий спектра будут расположены на одном уровне, совпадающем с горизонтальным штрихом визирного креста. После этого длину входной щели коллиматора максимально увеличьте и приступайте к измерениям.

 

Задание 2

 

⇐ Предыдущая36373839404142434445Следующая ⇒

Поделиться: