Порядок выполнения работы и обработка результатов

1. Включить полупроводниковый лазер. Вращением котировочных винтов направить луч лазера по центру отверстия в экране.

2. Установить микрообъектив в магнитной оправе с обратной стороны экрана и подвижками его в поперечных направлениях добиться наиболее полного освещения интерференционного объекта.

3. Небольшим поворотом винтов 6 (см. рис. 3.24.2) отрегулировать толщину зазора между стеклянными пластиками в объекте. ВНИМАНИЕ! Категорически запрещается затягивать винты, т.к. это может привести к появлению сколов на пластинках.Вращение винта должно быть плавным без дополнительных усилий в конечном положении. Для появления клиновидного зазора следует ослабить 1 или 2 винта.

Интерференционную картину можно предварительно визуально наблюдать в отраженном (под углом ~ 45−60°) или проходящем свете от настольной лампы или иного светильника (см. рис. 3.24.5а). Более точную регулировку следует проводить в лазерном пучке, добиваясь получения прямых линий, как показано на рис. 3.24.5б, 3.24.5в. Для ориентации полос вдоль линий шкалы масштабной сетки следует повернуть оправу с объектом вокруг оптической оси до нужного положения.

а)

б)

в)

Рис. 3.24.5. Примеры визуально наблюдаемых интерференционных полос

(а – непосредственно на объекте, б и в – на экране для различных углов клина).

4. Измерить координаты максимумов интерференционных полос не менее трех соседних порядков. Координаты следует измерять с точностью не менее ± 1 мм. Полученные данные занести в табл. 1.

M	Линейные координаты полос (мм)
X1	X2	X3

Таблица 1

5. Для каждой пары полос вычислить период полос

и усреднить результаты. Полученное среднее значение использовать для расчета угла воздушного клина по формулам (5) и (6).

Рис.3.24.6. Габаритный чертеж PMC 2.

Расстояние от объекта до основного экрана L = 625мм,

Расстояние от объектива до экрана – 751 мм.

Расстояние между соседними пазами в основании – 100 мм

Контрольные вопросы

1. Как рассчитать оптическую разность хода интерферирующих лучей в воздушном зазоре?

2. Что такое полосы равной толщины?

3. Каковы условия максимумов и минимумов интерференционной картины в воздушном зазоре?

4. Как устроен интерференционный объект, и каков порядок выполнения работы?

Литература

1. Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики. Учеб пособие для втузов. – М: Высш. Шк., 1989. – 608 с.

2. Савельев И.В. Курс общей физики. Т.2.Учеб. пособие для студентов втузов. – М.: КНОРУС, 2009, 576 с.

3. Трофимова Т.И. Курс физики. Учеб. пособ. для вузов.- 15-е изд., стереотип. –М.: Издательский центр «Академия», 2007. –560 с.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3.25

ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАССТОЯНИЯ МЕЖДУ ЩЕЛЯМИ

В ОПЫТЕ ЮНГА

Цель работы: определение расстояния между щелями по интерференционной кар­тине в схеме опыта Юнга.

Теоретические положения

Рис. 3.25.1.

Одним из первых ученых, кто наблюдал явление интерференции, был Томас Юнг, который в 1802 году получил интерференционную картину в установке, показанной на рис. 3.25.1. Свет, предварительно прошедший через светофильтр, проходя через отверстие S в экране А, падал на экран B, в котором были проделаны две тонкие щели S₁ и S₂. Эти щели являлись когерентными источниками света и давали достаточно четкую картину интерференции на экране С. В настоящей лабораторной установке вместо обычного ис­точника света со светофильтром для повышения степени когерентности используется лазер­ный источник излучения. Схема опыта представлена на рис. 2, где S₁ и S₂ – источники коге­рентного излучения, s₁ и s₂ – пути света от ис­точников до точки наблюдения Р, d – расстоя­ние между щелями, L – расстояние между эк­ранами В и С.

Рис. 3.25.2.

Разность фаз колебаний возбужденных волнами, приходящими в точку Ρ от источни­ков S₁ и S₂, равна:

, (3.25.1)

где оптическая разность хода Δ = ns₂ –ns₁; n – показатель прелом­ления среды.

Отсюда следует, что если вΔ укладывается целое число длин волн, то есть

Δ = ± mλ₀, (3.25.2)

где λ₀ – длина волны в вакууме, m = 0,1,2,…, то разность фаз оказывается кратной 2π; и в этой точке будет наблю­даться интерференционный максимум.

Если в Δ укладывается полуцелое число длин волн, то есть

Δ = ± (m + 1/2)λ₀, (3.25.3)

то будет возникать интерференционный минимум.

Из геометрии рис. 2 видно, что:

(3.25.4)

, (3.25.5)

откуда

(3.25.6)

Учитывая, что d << L, a s₁ + s₂ ≈ 2L, и умножив последнее равенство на n – показатель преломления среды, получим оптическую разность хода

. (3.25.7)

Подставив в это выражение условия наблюдения максимума и минимума интерферен­ции при n = 1, получим, соответственно:

Ширина интерференционной полосы на экране будет определяться соотношением

(3.25.10)

Описание оборудования

Источником света служит полупровод­никовый (GaAs) лазер (λ = 650 нм). Парал­лельный световой пучок освещает фотолито­графический тест-объект МОЛ-1, который представляет собой тонкий стек­лянный диск с непрозрачным покрытием, на котором по кругу по внешнему ряду А параллельно радиусу на­несены пары щелей с разными расстояниями между ними. Пары щелей равной ширины объединены в группы по четыре. В пределах групп изменяются расстояния между щеля­ми. Свет, интерферируя на паре щелей, пада­ет на экран, на котором и проводятся изме­рения периода интерференционной картины (∆х). На рисунке приведен внешний вид лабора­торной установки РМСЗ, аналогичная оптическая схема может быть собрана также в ком­плекте РМС1.

Порядок выполнения работы

1. Добиться четкого изображения интерференционных полос.

2. Провести три измерения ширины интерференционной полосы для каждой из пар щелей. Полученные данные усреднить. Данные занести в табл. 1, где ∆x_ср – усредненное значение ширины интерференционной полосы.

Таблица 1

№ изм.	Номер пары щелей
∆хср

Обработка результатов

По результатам измерений, зная величину L (она равна сумме расстояний между эк­раном и зеркалом и зеркалом и фотолитографическим объектом) и длину волны излучения полупроводникового лазера (λ = 650 нм), рассчитать расстояние между щелями по формуле:

. (3.25.11)

Получится по одному значению d для каждой пары щелей из группы. Полученные ре­зультаты занести в табл. 2.

Таблица 2

№ пары щелей
d (мкм)

Контрольные вопросы

1. Почему возникает интерференция при прохождении света через две щели в опыте Юнга?

2. Каковы условия интерференционных максимумов и минимумов при интерференции на двух щелях?

3. Как рассчитать оптическую разность хода в опыте Юнга?

4. Как рассчитать расстояние между щелями в опыте Юнга?

Литература

1. Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики. Учеб пособие для втузов. – М: Высш. Шк., 1989. – 608 с.

2. Савельев И.В. Курс общей физики. Т.2.Учеб. пособие для студентов втузов. – М.: КНОРУС, 2009, 576 с.

3. Трофимова Т.И. Курс физики. Учеб. пособ. для вузов.- 15-е изд., стереотип. –М.: Издательский центр «Академия», 2007. –560 с.

4. Калитеевский Н.И. Волновая оптика. Учеб. пособ. для вузов.- 3-изд., перераб. и доп.. – М.: Высш. шк., 1995. – 463 с.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3.26