Определение интенсивности в сферической волне

1. Установите держатель Д7 на входе луча в установку. Перемещая блок регистрации, найдите положение столика, при котором на экране Э3 наблюдается яркая точка. Тогда риска Д4 укажет положение точки фокусировки лазерного пучка . Убедитесь, что при смещении столика в обе стороны от точки фокусировки яркая точка превращается в светлое пятно.

2. Передвиньте столик с блоком фоторегистрации в крайнее положение. Винтами держателя Д4 сместите пятно на экране Э3 так, чтобы его центр приходился на щель фотодатчика. Интенсивность падающего на щель излучения I измеряется вольтметром фотодатчика. Измерьте интенсивность I₀ в центре пятна для нескольких расстояний r от точки фокусировки до экрана Э2, положение которого z₄ определяется риской держателя Д4. Результаты занесите в табл.3.

 

Таблица 3

 

№ п/п	z4, cм	r = z4 – z F, см	I0, дел. вольтметра
...	...	...	...

 

3. Постройте график зависимости интенсивности волны I₀ от расстояния r: I₀(r). Для проверки теоретической зависимости  постройте график .

Вниманию студентов и преподавателей! Может так случиться (для данного студента), что предложенный объем работы окажется слишком большим. Тогда, по согласованию, объем измерений может быть изменен или уменьшен (это касается в основном двух последних заданий).

 

Контрольные вопросы

 

1. Как определить размер предмета, если его изображение получается за пределами оптической скамьи?

2. Между неподвижными источником и экраном двигают линзу. Полученные размеры изображения H₁ и H₂ (увеличенное и уменьшенное). Каков размер источника?

3. Чему равен фотометрический световой поток лазерного излучения в данной работе?

4. Как зависит сила света лазерного пучка, прошедшего через линзу, от ее фокусного расстояния?

5. Как проверить в задании 3 правильность расчета фокального расстояния объектива?

Р а б о т а 4.2

 

ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ

 

Цель: изучение явления интерференции, исследование распределения интенсивности в интерференционной картине и определение длины волны излучения лазера.

 

Введение

 

При сложении двух или большего числа монохроматических волн наблюдается явление интерференции, заключающееся в том, что интенсивность I результирующей волны не равна сумме интенсивностей I₁ и I₂ складываемых волн (см. § 1 разд.2).

Существуют два общих метода получения интерферирующих волн от одного источника. В одном из них волна делится, проходя сквозь близко расположенные друг к другу отверстия. Такой метод — метод деления волнового фронта — пригоден только при малых размерах источников. В другом способе волна делится на одной или нескольких частично отражающих поверхностях. Этот метод — метод деления амплитуды — может применяться с протяженными источниками. В любом случае удобно рассматривать отдельно явления, возникающие при суперпозиции двух пучков (двухлучевая интерференция), и явления, возникающие при суперпозиции большего их числа (многолучевая интерференция). Последние в работах не рассматриваются.

Рассмотрим некоторые схемы наблюдения двухлучевой интерференции.

Схема Юнга. Когерентные световые волны возникают при освещении двух щелей S₁ и S₂ светом лазера (рис.4.5), а наблюдение ведется на экране Э2. Ширина интерференционной полосы на экране (см. § 3 разд.2):

                                        ,                                  (4.8)

где h — расстояние между щелями.

 

Рис.4.5

 

Бипризма Френеля образуется двумя одинаковыми призмами с малым преломляющим углом. Пучок лучей от точечного источника S делится в результате преломления на два перекрывающихся пучка. Таким образом, бипризма образует два мнимых изображения S₁ и S₂ (рис.4.6). Поместив после бипризмы экран, будем наблюдать на нем интерференционную картину в виде чередующихся темных и светлых полос.

 

 

Рис.4.6

 

Ширина полосы (см. рис.4.6)

                                 ,                            (4.9)

где h — расстояние между мнимыми источниками:

                                        .                                 (4.10)

Ширина зоны интерференции

                                 .                         (4.11)

Количество полос в зоне интерференции

                      .               (4.12)

Зеркало Ллойда (ЗЛ). На экране Э2 (рис.4.7) складываются волна от точечного источника S и волна, отраженная от ЗЛ, выходящая из мнимого источника S₁, являющегося изображением источника S в зеркале. Ширина интерференционной полосы на экране определяется по формуле (4.8), где h — расстояние между источниками S₁ и S.

 

 

Рис.4.7

 

Отражение от пластины. Пусть на плоскопараллельную стеклянную пластину (рис.4.8) падает расходящийся световой пучок, который получен с помощью линзы Л1 (задний фокус которой совпадает с плоскостью экрана Э). Отраженные от передней и задней поверхностей пластины световые волны интерферируют между собой и дают на экране Э систему концентрических светлых и темных колец с центром на оси пучка (см. § 6 разд.2). Эту интерференционную картину можно рассматривать как результат сложения волн, испущенных мнимыми источниками S₁ и S₂, являющимися изображениями источника S в передней и задней поверхностях пластины.

Обозначим: r — радиус темного кольца на экране, d — толщину пластины и l — расстояние между экраном и пластиной. В условиях нашего опыта r и d << l, из формулы (2.37) (см. § 6 разд.2) получим, что радиус r _k кольца, соответствующего k-му порядку интерференции, определяется формулой

                          ,                   (4.13)

где n — показатель преломления стеклянной пластины; l₀ — длина волны света в вакууме (показатель преломления воздуха принимается равным единице).

 

 

Рис.4.8

 

Из этой формулы видно, что  линейно растет с уменьшением порядка интерференции k. Максимальный порядок , отвечающий максимальной оптической разности хода световых волн , формально соответствует темному кольцу радиуса r = 0. Если пронумеровать кольца в порядка возрастания их радиусов r _N, начиная с некоторого, например с кольца наименьшего радиуса, т.е. N = 1 соответствует , то порядок интерференции N-го кольца . А это, в свою очередь, означает, что  линейно зависит от номеров колец N. Поэтому если построить график зависимости  от N, то угловой коэффициент наклона этого графика дает возможность определить коэффициент в формуле (4.13):

                                 .                          (4.14)

На этом основан графический метод определения показателя n стеклянной пластины.

 

Описание установки

 

Работа выполняется на лабораторном оптическом комплексе — ЛОК-1. Описание необходимых элементов приведено в соответствующих заданиях.

 

Методика измерений

 

Продольные размеры определяются по шкале оптической скамьи. Непосредственно измеряют координату z указателя (риски), соответствующего характерным плоскостям оптических элементов.

Поперечные размеры дифракционной и интерференционной картин во всех заданиях, кроме последнего, определяют по шкалам на экране Э3. Непосредственно измеряют координаты x и y характерных точек — максимумов и минимумов интенсивности. Если h₃ — размер картины на экране Э3, то на экране Э2 ему соответствует размер , где b — поперечное увеличение, найденное в работе 4.1.

Распределение интенсивности на экране Э3 определяется только вдоль горизонтальной оси x. Входное окно фотодатчика устанавливают в положение, соответствующее началу исследуемого участка дифракционной или интерференционной картины, затем снимают отсчеты интенсивности по вольтметру, перемещая фотодатчик с шагом 0,5 – 1 мм. Вследствие инерционности фотоприемника при каждом изменении его положения необходимо подождать до тех пор, пока показания вольтметра перестанут изменяться. Параметры, регистрируемые при каждом измерении: координата окна фотодатчика x; показания вольтметра.

 

Задание 1

 

⇐ Предыдущая42434445464748495051Следующая ⇒

Поделиться: