Изучение волновых свойств света с помощью полупроводникового лазера

Оборудование:

1. Полупроводниковый лазер (1), установленный на деревянном направляющем желобе и лазер (1к) на деревянном бруске.

2. Линза на подставке. F = 7 см.

3. Экраны белые с миллиметровкой: малый (3) и большой (3б).

4. Прямоугольная плоскопараллельная пластина из оконного стекла на подставке.

5. Бипризма Френеля.

6. Щель с изменяющейся шириной.

7. Непрозрачная пластина с тремя парами отверстий для опыта Юнга.

8. Дифракционная решетка 600 штрихов на мм.

8.⁰ Отражательная дифракционная решетка из лазерного диска.

9. Прямоугольная пластина из оконного стекла.

10. Поляроидная плёнка в прямоугольной рамке.

11. Держатель для установки на направляющем желобе приборов № 5, 6, 7, 8, 10.

12. Линейка.

Теория.

По волновой теории свет – это электромагнитная волна, то есть колебания электрических и магнитных полей, распространяющиеся в пространстве с течением времени. Чем больше амплитуда колебания напряженности эл. поля и индукции магнитного поля , тем больше плотность потока световой энергии. Период колебания Т, частота и длина волны определяет цвет: , . Так как и , то световая волна является поперечной.

У света наблюдаются все свойства волн: отражение, преломление, интерференция, дифракция, поляризация. Для наблюдения этих свойств в данной работе используется полупроводниковый лазер. Особенности его излучения позволяют более наглядно и проще, чем с другими источниками, пронаблюдать волновые свойства света.

1. Его излучение остро направлено, что позволяет, при небольшой мощности (1-2 мВт) получить на малой площади поверхности достаточно большую освещённость.

2. Это монохроматичный света, он даёт излучение одной неизменяющейся частоты.

3. Излучение лазера обладает большой когерентностью, которая сохраняется при разности хода лучей до метра и более, поэтому с его помощью легко наблюдать интерференцию света.

4. Лазер – источник, дающий поляризованный свет.

Ход работы.

1. Наблюдение интерференции света, отраженного от двух поверхностей плоскопараллельной пластины (оконного стекла).

1) Включите блок питания лазера 1к в сеть (220 В). Установите лазер 1к в начале желоба.

2) В направляющий желоб на расстоянии примерно 10 см от лазера 1к установите собирающую линзу (2). Поворачивая и смещая лазер, добейтесь попадания его луча в центр линзы.

3) На расстоянии в 20-30 см от линзы установите прямоугольную пластину оконного стекла (4), а рядом с лазером – малый белый экран (3) так, чтобы на него попадал отраженный от стекла свет. Рисунок 1.

4) Понаблюдайте на экране интерференцию света, отраженного от передней и задней поверхностей стекла. Из-за не идеальности поверхностей тёмные и светлые полосы на экране не везде параллельны. Перемещая стекло вдоль желоба, и слегка отклоняя его в перпендикулярном направлении, пронаблюдайте изменение интерференционной картины. Зарисуйте одно из изображений в тетради.

2. Наблюдение интерференции с помощью бипризмы Френеля

1) Установите в желобе на расстоянии 10 см от лазера (1) держатель для плоских прямоугольных предметов (11).

2) Закрепите в держателе бипризму Френеля (5) так, чтобы её преломляющее ребро было вертикально.

3) Перемещая держатель с бипризмой перпендикулярно желобу, получите на удаленном экране (стене лаборатории) два пятна одинаковой яркости.

4) Установите на расстоянии 30 см от бипризмы (5) собирающую линзу (2). Пронаблюдайте на удаленном экране параллельные тёмные и светлые полосы. Зарисуйте их в тетрадь.

3. Наблюдение дифракции света от щели с изменяющейся шириной

1) Уберите из желоба линзу (2), а бипризму (5) замените на щель (6).

2) Вращая винт, установите ширину щели примерно 1 мм.

3) При необходимости, перемещая держатель со щелью перпендикулярно желобу, добейтесь попадания луча лазера в центр щели.

4) Постепенно уменьшая винтом ширину щели, наблюдайте на удаленном экране расширение светлого пятна из-за дифракции света на краях щели. При ширине щели в несколько десятков мкм дифракция сопровождается интерференцией вторичных волн и на экране на растянутом по горизонтали светлом пятне

появляются темные вертикальные полосы. При дальнейшем уменьшении ширины щели на удаленном экране остается лишь одра слабая горизонтальная полоса. Её можно лучше рассмотреть, если приблизить экран к щели. Сделайте в тетради 3-4 рисунка дифракции при различной ширине щели.

4. Наблюдение дифракции от двух отверстий (опыт Юнга).

1) Замените в держателе (11) щель (6) на не прозрачную пластину с тремя парами отверстий (7). Установите пластину так, чтобы пары располагались вдоль горизонтальной оси.

2) Смещая держатель перпендикулярно желобу, направьте луч лазера на пару отверстий № 1. Точной настройки можно добиться, поставив на расстоянии 5-10 см от пластины с отверстиями (7) белый экран (3). При этом на белом экране против пары отверстий надо получить две светлые точки одинаковой максимальной яркости. Для этого при необходимости держатель можно слегка смещать перпендикулярно лучу.

3) После настройки экран (1) удаляйте от отверстий и зарисуйте наблюдаемую на нем картину для расстояний 0,5 м, 1 м, и максимальном.

4) Перекройте линейкой свет от одного из отверстий и пронаблюдайте исчезновение интерференции на удаленном экране.

5) Получите на максимально удаленном экране и зарисуйте в тетрадь интерференционную картину от пары отверстий № 2 и № 3.

Сделайте в тетради вывод: как расстояние между интерференционными полосами Х в опыте Юнга зависит А) от расстояния D от отверстий до экрана; Б) от расстояния L между отверстиями.

5. Измерение длины волны излучения лазера по результатам опыта Юнга.

1)Направьте луч лазера на двойные отверстия №3. На максимальном расстоянии от отверстия поставьте большой экран с миллиметровкой.

2) Измерьте расстояние D от отверстий до экрана.

3) Измерьте на удалённом экране расстояние между соседней парой светлых полос. Для большей точности можно измерить расстояние между нулевой и n-ой полосой и разделить его на n.

4) Зная, что расстояние между отверстиями №3 L=0,70 мм, вычислите длину волны излучения лазера.

6. Измерение длины волны лазера с помощью прозрачной дифракционной решетки.

1) Замените в держателе (11) пластину с отверстиями (7) на прозрачную дифракционную решетку (8), имеющую 600 штрихов на 1 мм.

2) На расстоянии 30 см от решетки установите большой экран с миллиметровкой.

3) Измерьте расстояние АО от решетки до экрана и расстояние ОВ от центрального до 1-ого максимума.

4) Вычислите sin и длину волны излучения лазера. Рис. 3

7. Вычисление периода отражательной дифракционной решетки.

1) Замените в держателе (11) прозрачную дифракционную решетку (8) на отражательную (8⁰) (часть лазерного диска). Установите её на расстоянии 10 см от лазера (Рисунок 4). Поверните решетку так, чтобы центральный отраженный луч попадал в центр лазера.

2) Слева от лазера поставьте большой экран с миллиметровкой так, чтобы максимумы первого порядка (Точки В и С) не выходили за его пределы.
3) Измерив АО и ВС, вычислите ОВ, АВ и Sin φ. Зная длину волны излучения лазера, найдите период отражательной решетки (8⁰) и число штрихов на 1 мм.

8. Определение направления плоскости колебания напряженности электрического поля (Е) излучения лазера.

Если угол падения светового луча на поверхность диэлектрика (например, стекла) равен углу Брюстера (, где n –показатель преломления), то свет в отраженном луче является полностью поляризованным. Плоскость колебания вектора напряженности эл. поля в нём перпендикулярно плоскости, проходящей через падающий и отраженный луч.

1) Уберите с желоба держатель (11).

2.

1)

2) На расстоянии примерно 30 см от лазера установите в желобе белый экран (3).

3) На поверхность желоба между лазером и экраном положите прямоугольную пластину оконного стекла (9).

4) Поворачивая лазер в вертикальной плоскости, направьте его излучение в центр пластины.

5) Поворачивая лазер вокруг его оси (луча), добейтесь минимальной яркости отраженного луча на экране (3).

6) Меняя угол падения луча , добейтесь почти полного исчезновения отраженного света. Если это не удаётся, повторите пункт под номером 5).

7) При полном исчезновении отраженного луча вектор напряженности электрического поля в лазерном луче лежит в вертикальной плоскости, а вектор магнитной индукции – в горизонтальной плоскости, оба они перпендикулярны лучу лазера. Винт на корпусе лазера указывает направление плоскости колебания вектора Е.

9. Определение направления плоскости колебаний, пропускаемых поляроидной пленкой.

1) Установите лазер горизонтально.

2) Установите держатель (11) в направляющий желоб.

3) Закрепите в держателе поляроидную пленку (10).

4) Вращая поляроидную пленку в держателе вокруг оси совпадающей с лучом лазера, добейтесь почти полного гашения прошедшего через него луча. В этом положении направление колебаний, пропускаемых поляроидом перпендикулярно колебаниям в лазерном луче. Так как в предыдущем опыте колебания напряженности эл. поля в луче лазера установлены в вертикальной плоскости, то поляроид пропускает горизонтальные колебания. Убедитесь, что оно совпадает с направлением стрелки на рамке поляроида.

5) Достаньте поляроид из держателя. Убедитесь, что при пропускании вертикальных колебаний, он почти полностью гасит блики на горизонтальных поверхностях.

Контрольные вопросы:

1. Что такое свет по волновой теории?

2. Перечислите физические величины - волновые характеристики света.

3. Какие физические явления хорошо объясняет волновая теория света?

4. Какие физические явления невозможно объяснить по волновой теории света?

5. Чем отличается излучение лазера от света других источников?

6. - Что такое интерференция света?

- Почему её нельзя наблюдать от 2-х отдельных источников?

- Как можно наблюдать интерференцию от одного источника света? Приведите примеры.

- Почему интерференцию света, отраженного от 2-х поверхностей оконного стекла, нельзя наблюдать ни от одного источника, кроме лазера?

- Почему при наблюдении интерференции от оконного стекла полосы не всегда параллельны, как в опыте с бипризмой Френеля?

7. - Что такое дифракция?

- Как её объясняет волновая теория Гюйгенса-Френеля?

- Можно ли наблюдать дифракцию от тел, размеры которых много больше длины световой волны?

- Как выглядит дифракция от щели при уменьшении её ширины?

- Схема опыта Юнга?

- От чего и как зависит расстояние между интерференционными полосами в опыте Юнга?

- Что такое дифракционная решетка?

- Для чего её применяют?

- При дифракции от одной узкой щели свет идет во все стороны. Почему же в результате дифракции от множества параллельных щелей он идет лишь по определенным направлениям, зависящим от длины волны?

- Формула дифракционной решетки?

- Сколько всего сплошных спектров можно увидеть полностью, наблюдая волосок лампочки через дифракционную решетку, имеющую 500 штрихов на 1 мм?

Поиск по сайту: