МУ-О-77 (1003795), страница 3
Текст из файла (страница 3)
При λ<<d угол φ 1 – мал, поэтому это светлое пятно в пределах первоготемного дифракционного кольца можно рассматривать как изображение удаленного точечногоисточника, уширенного дифракцией на краях круглого отверстия диаметром d.Уширение световых волн, которые дифрагируют на оправах линз оптических систем таких,как, например, телескоп, микроскоп, ограничивает разрешающие возможности этих устройств.Если на объектив телескопа одновременно падает свет от двух некогерентных точечныхисточников, например, от двух звезд, на экране наблюдения будет два светлых пятна,смещенных относительно друг друга (центральные максимумы двух дифракционных картин).Чем ближе эти центральные максимумы, тем труднее различить наличие двух источников. Всоответствии с критерием Рэлея [2,стр.145] два точечных некогерентных источника считаютсяразрешенными (различимыми), если главный дифракционный максимум одного совпадает спервым минимумом второго.
Таким образом, минимальное угловое расстояние между двумяисточниками (между двумя звездами), которые начинают разрешаться (наблюдаться как дваразличных источника) при наблюдении через телескоп, равно,где λ – длина волны, d – диаметр объектива телескопаКонтрольные вопросы1) Какое явление называется дифракцией света?2) Для чего используется и в чем заключается метод зон Френеля?3) Что такое дифракция Френеля и дифракция Фраунгофера?4) Может ли в точке Р (см.рис.3) наблюдаться минимум освещенности ? Если – да, то прикаких условиях, если – нет, то почему.5) Максимальная или минимальная интенсивность света будет в точке наблюдения Р, есликольцевыми отверстиями в непрозрачном экране для этой точки Ра) открыты две зоныФренеля: 2-я и 4-я; б) открыты три зоны Френеля: 1-я, 3-я и 5-я? Ответ обосновать.6) Почему в центре дифракционной картины от диска наблюдается светлое пятно? Можно лиза этим же диском наблюдать полную геометрическую тень или, наоборот, отсутствие какой либо тени? Ответ поясните.7) Почему ограничены разрешающие возможности объективов оптических систем?8) Подсчитайте минимальное угловое расстояние, разрешаемое глазом человека.14О-77ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ315642АБ7Рис.
10Экспериментальная установка в сборе приведена на рис.10. Всю установку можно разбить надва блока. Один блок назовем дифракционным, он включает источник света – гелий-неоновыйлазер 1, объекты дифракции на стеклянной пластинке 2 и металлический экран 3 длянаблюдения дифракционной картины. Другой блок – блок фотоприемника, которыйпредставляетсобойсистемуприборовдля измеренияинтенсивностисвета(илипропорциональной ей величины – напряжения) в разных точках дифракционной картины. Этотблок включает фотодетектор 4, соединенный с фотоусилителем 5, сигнал с которого выводитсяна цифровое измерительное устройство 6.
В данной установке фотоусилитель сконструировантак, что является аппаратом управления всей системой измерений.Дифракционный блок.1) В лабораторной работе в качестве источника света используется гелий - неоновый лазер,длина волны излучении которого равна 632,8 нм (мощность оптического излучения до 0,2мВт)..Дляэлектромагнитногоизлучениялазерахарактерны:1)высокаястепеньмонохроматичности (Δλ≈ 10-2 нм), 2) высокая временная и пространственная когерентность,3) большая интенсивность, 4)узость пучка: диаметр пучка – 0,48 мм, расходимость 1,7 мград,5) поляризованность излучения.2) Объектами дифракции являются два непрозрачных диска (кружочка) и два отверстия внепрозрачном экране, выполненном с помощью краски на стеклянной пластинке.
Стекляннаяпластинка закреплена в держателе размером 5х5см и может перемещаться в горизонтальном ивертикальном направлениях с помощью поворотного устройства .15О-77Блок для детектирования и измерения интенсивности света ( Блок фотоприемника).1) Вкачествефотодетектора4используетсяполупроводниковый кремневый диод, дополненный усилителемтока (внутренний усилитель). Электрический ток через диодпрямо пропорционален интенсивности падающего света. Дляизмерений интенсивности света с высоким пространственнымразрешением диод снабжен фронтальными линзами, которыечастично закрыты диафрагмой в форме щели шириной 0,3мм.Высота диодной головки может быть отрегулирована и зафиксирована с помощью стержня, накотором закреплен фотодетектор .С помощью винтового механизма 7 (см. рис.10) фотодетектор можно перемещать погоризонтальнымнаправляющимпоперекдифракционнойкартины.Ценаделениягоризонтальной шкалы, расположенной на опоре фотодетектора, равна 1 мм/дел.
Перемещениефотодетектораотносительно этой шкалы осуществляется вращением барабана-рукоятки,который связан с микрометрическим винтом. Один оборот барабана с делениями смещаетфотодиод на 0,5 мм, поэтому цена деления шкалы барабана равна 0,5 мм/100дел=0,005мм/дел.При вращении барабана по часовой стрелке фотодетектор смещается «на нас», при вращениипротив часовой стрелки фотодетектор смещается «от нас». Рекомендуемый шаг перемещенияфотодетектора – 0,25мм (50 делений по круговой шкале барабана).С помощью кабеля, жестко прикрепленного к фотодетектору, фотодетектор подсоединяетсяк фотоусилителю 6 через гнездо А ( см.
рис. 10 ).Такая система: фотодетектор с внутренним усилителем плюс фотоусилитель специальнойконструкции – позволяет измерять постоянные и переменные интенсивности света малыхвеличин.2) Элементы управления фотоусилителя.А – входное гнездо для диода; служит как для приема сигналов от фотодетектора, так и дляобеспечения его напряжением (диодный режим работы фотодиода);Б – выход на монитор или на цифровое измерительное устройство через гнездо BNC спереходником; используется в случае постоянного оптического сигнала или переменного до 60кГц.
(BNC – коннектор с байонетной фиксацией по имени разработчиков Пола Нейла и КарлаКонцельмана)3)Цифровой мультиметр - предназначен для детектирования и измерения напряжения,пропорционального входному для фотодиода световому сигналу (световому потоку).16О-77Подготовкаустановки к работе (измерениям). Получение дифракционной картины.1) Подсоедините фотодиод с внутренним усилителем с помощью кабеля диода к входномугнезду А фотоусилителя 5.2) Используя BNC переходник, подсоедините мультиметр к выходному гнезду напряженияБ фотоусилителя.
Входные гнезда мультиметра – «COM» и (V,Ω, Hz). На мультиметре кнопкойDC/AC установите род измеряемого тока: DC (знак AC-переменный ток- высвечивается надисплее, знак DC- нет), предел измерений: 200мВ.3)Фотоусилитель работает от напряжения 12 В, поэтому к сетевому источнику питания220 В подключается через адаптер. Штекер одного конца провода, идущего от адаптера,вставьте в разъем фотоусилителя на его задней панели. Другой провод от адаптера должен спомощью вилки подключаться к источнику питания 220 В.Фотоусилитель работает только с фотодетектором.Подключайте фотоусилитель к розетке 220 В только при выполнении заданий сиспользованием фотодетектора4) Расположите подвижную опору лазера и подвижную опору фотодиода по краямоптической скамьи, а дифракционные объекты 2 ( по метке на бегунке) – на расстоянии 20-22см от края скамьи, стержень рейтера с дифракционными объектами вставьте в бегунокотносительно втулки вниз до упора.5) С помощью винтового механизма установите фотодиод так, чтобы его окно было на осивсей установки: метка на рейтере фотодиода совпадала с серединой линейки на передвижномустройстве.
Затем установите металлический экран 3 непосредственно перед фотодетектором,6)Установка лазера.А) Первоначально стержень рейтера лазера должен быть вставлен в бегунок вниз доупора (минимальная высота корпуса над оптической скамьей).Б) Убедившись в том, что ключ на задней стенке лазера установлен в положение «0»(вертикальное положение = выкл.), подключите лазер к источнику питания 220 В. Затемповоротом ключа до «1» (горизонтальное положение = вкл.) включите лазер, дайте емупрогреться 5 – 10 минут.Внимание! Не направляйте луч лазера непосредственно в глаз.Не устанавливайте луч лазера на уровне глаз.В) Отодвиньте стеклянную пластинку с дифракционными объектами так, чтобы луч лазерасвободно проходил сквозь окно держателя и падал на экран 3.
Поворачивая корпус лазера17О-77вокруг его вертикальной оси, установите его так, чтобы луч попадал в середину (погоризонтали) экрана, а регулировкой винта в рейтере лазера добейтесь того, чтобы лучраспространялся горизонтально.7)Объект, на котором происходит дифракция, должен находиться в нижней половинестеклянной пластинки, а все дифракционные объекты (все отверстия или все диски)первоначально должны быть установлены горизонтально.
Подвиньте в держателе стекляннуюпластинку так, чтобы луч пересекал ее вблизи дифракционных объектов. Возможности длянастройки – хорошие, если луч проходит несколько выше (до 0,5 см) линии с дифракционнымиобъектами, плоскость пластинки вертикальна и перпендикулярна лучу, а отраженный отпластинки луч попадает в окно лазера.8) В зависимости от того, как расположены относительно друг друга луч и линиядифракционныхобъектов,приподнимите корпус лазера или держатель 2. Перемещаястержень того 1 или другого 2 рейтера относительно втулки, установите луч на высотудифракционныхобъектов, а затем подвиньте пластинку так, чтобы луч попал именно нанужный объект.
Дополнительно можно использовать поворотное устройство на держателе 2.Если после этих действий на экране не появится четкая дифракционная картина изравномерно распределенных темных и светлых колец, проверьте, а) полностью ли сечениепучка света перекрывает отверстие (диск), если – нет, надо стекло или держатель слегкасмесить (на доли миллиметров) в нужном направлении (вверх – вниз, влево –вправо); б) падаетли луч по нормали к пластинке, если – нет, то слегка поверните пластинку вокруг еевертикальной оси или (и) слегка наклоните стержень рейтера лазера или держателя 2.Получив на экране дифракционную картину, состоящую из темных и светлых колец, прочнозакрепите с помощью винтов рейтеров положение лазера и дифракционногообъекта и безнеобходимости не изменяйте их.Задание 1. Определить длину волны λ излучения лазера дифракционным методом: придифракции света на отверстии диаметром D1 .Замечание: в экспериментальной части прописной буквой D обозначены диаметры дифракционных объектов(отверстия и диска), а через d – диаметры темных и светлых колецПолучив на экране четкую дифракционную картину, приступайте к измерениям.1) Определите расстояние L между отверстием и экраном, используя метки на бегункахрейтеров и линейку, расположенную вдоль оптической скамьи.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
