Исследование явления дифракции света на компакт-диске (стр. 2 из 5)

Наблюдения в белом свете.

Установите лампу накаливания на расстоянии около 2 м от зеркальной поверхности диска так, чтобы нить накала находилась на продолжении оси экспериментальной установки. Вставьте в направляющие пазы основания шток с экраном и, перемещая его вдоль оси, проведите наблюдения. Устанавливая затем в осветителе светофильтры с известной длиной волны, измерьте соответствующие им фокусные расстояния.

Таблица 3.

Область первого фокуса. R = мм	Область второго фокуса. R= мм
λ= нм; F= мм; αсф.1-2= мм/нм	λ= нм; F= мм; αсф.1-2= мм/нм
λ= нм; F= мм; αсф.2-3= мм/нм	λ= нм; F= мм; αсф.2-3= мм/нм
λ= нм; F= мм; αсф.3-4= мм/нм	λ= нм; F= мм; αсф.3-4= мм/нм
λ= нм; F= мм; αсф.4-5= мм/нм	λ= нм; F= мм; αсф.4-5= мм/нм
λ= нм; F= мм; αсф.5-6= мм/нм	λ= нм; F= мм; αсф.5-6= мм/нм
λ= нм; F= мм αсф.6-1= мм/нм	λ= нм; F= мм αсф.6-1= мм/нм

Задание 3. (Уровень УИР). Постройте график зависимости фокусного расстояния от длины волны и рассчитайте для каждой пары соседних результатов значения хроматической аберрации. Определите количественную меру этой «хроматической аберрации» β_хр = δF/δλ. в области первого и второго фокусов.

Цель работы

Углубить представления о явлении дифракции и поляризации света. Освоить технику и методику экспериментальных наблюдений и измерений.

Введение

Процесс распространения колебаний в пространстве называется волной. Как известно, свет представляет собой электромагнитные волны с длиной волны 400 – 750 нм (нанометров). Всем волнам, в том числе и световым, присущи специфически волновые явления: интерференция, дифракция и поляризация.

В результате наложения когерентных световых волн, т. е. волн, разность фаз которых в каждой точке пространства не зависит от времени, происходит ослабление или усиление интенсивности колебаний в различных точках области наложения волн. Это явление называется интерференцией волн (света).

Дифракцией света называется совокупность явлений, которые наблюдаются при прохождении света в среде с резко выраженными неоднородностями (например, при прохождении света через отверстия в непрозрачных экранах, вблизи границ непрозрачных тел и т. д.). В более узком смысле под дифракцией понимают явление отклонения света в область геометрической тени. Угол дифракции φ ≈ d/λ, поэтому для чёткого наблюдения этого явления необходимо, чтобы размеры препятствий d были сравнимы с длиной волны света λ.

Для поперечных волн, т. е. волн, колебания в которых происходят перпендикулярно направлению их распространения, наблюдается ряд явлений, имеющих общее название поляризации волн.

Часть I. Дифракция света и экспериментальная установка

На явлении дифракции основано устройство замечательного оптического прибора – дифракционной решетки. Дифракционная решетка представляет собой совокупность большого числа очень узких щелей, разделенных непрозрачными промежутками. Наилучшим качеством обладают отражательные дифракционные решетки. Они представляют собой чередующиеся участки настолько малые, что отражая свет, они рассеивают его вследствие дифракции. Таким образом пучок света разбивается на множество когерентных лучей.

Если ширина прозрачных участков а, а ширина непрозрачных промежутков b, то величина d=a+b называется периодом решетки.

Если на решетку нормально (перпендикулярно) к ее поверхности падает свет с длиной волны l то, как следует из рисунка 1, лучи, рассеянные под углом j к первоначальному направлению от соответствующих мест каждой из щелей, обладают разностями хода dsinj (I и II лучи), 2dsinj (I и III лучи) и т. д.

Волны усиливают друг друга при интерференции, если эта разность хода равна целому числу волн. Углы, под которыми наблюдаются максимумы, находятся из соотношения

, k = 0, ±1, ±2, ±3… (1)

Максимумы наблюдаются по обе стороны от падающего луча, а центральный максимум (k=0) наблюдается в направлении падающего луча.

Зеркальная поверхность лазерного компакт-диска представляет собой спиральную дорожку, шаг которой соизмерим с длиной волны видимого света. На такой упорядоченной и мелкоструктурной поверхности в отраженном свете заметно проявляются дифракционные и интерференционные явления, что и является причиной радужной окраски создаваемых им бликов. Луч лазера занимает на компакт-диске настолько малую площадь, что этот участок можно считать одномерной дифракционной решеткой.

Схема прибора (прибор №1), для наблюдения дифракции света на кусочке компакт-диска, играющего роль отражательной дифракционной решетки, представлена на рисунке 2. Здесь: 1 – источник света – лазер-брелок, укрепленной на поворачивающейся планке, 2 – отражательная дифракционная решетка – кусочек компакт-диска, 3 – зажим для крепления препарата, 4 - транспортир для измерения углов дифракции, 5 – транспортир для измерения угла падения луча света, 6 – зажим для крепления поляроида.

Экспериментальная часть

Задание 1. Компакт диск – дифракционная решетка. Перпендикулярное падение света

на решетку

Цель. С помощью явления дифракции света определить число штрихов, т.е. число дорожек на 1 мм в CD и DVD-компакт-диске. (При выполнении этого задания используется прибор №1 – рисунок 2).

1. Укрепите в зажиме прибора препарат с кусочком CD- диска. Он должен быть расположен строго перпендикулярно к направлению луча лазера, установленного в нулевое положение.

2. Нажав на кнопку включателя лазера, проверьте точность установки препарата (дифракционной решетки) и лазера. Она считается нормальной, если падающий луч идет строго по оси поворотной планки, а отраженный луч возвращается в выходное окошко лазера. Проверить это можно с помощью листочка белой бумаги, помещенной немного выше окошка лазера. Если необходимо, слегка подрегулируйте положение лазера и препарата.

3. Включив лазер, измерьте углы дифракции для максимумов первого (k =1 ) j₁ и второго (k =2) j₂ порядка. Максимумы более высоких порядков в данном опыте не наблюдаются.

4. По полученным значениям углов дифракции определите период d дифракционной структуры компакт-диска и число дорожек n на 1 мм

(2)

Длина волны света, излучаемого лазером, занимает диапазон 620-680 нм. Для расчетов можно воспользоваться средним значением длины волны λ=650 нм=0,00065 мм.

5. По результатам двух измерений вычислите среднее значение числа дорожек на 1 мм на CD-диске.

6. Замените препарат с кусочком CD-диска на препарат с кусочком DVD-диска.

7. Повторите измерения и вычисления пунктов 2-4. Особенность данного опыта состоит в том, что даже максимум второго порядка вряд ли удаться наблюдать.

8. В выводе отметьте, насколько больше, по крайней мере, информации можно записать на DVD-диске, чем СD.

Задание 2. Компакт диск – дифракционная решетка. Наклонное падение света

на решетку

При наклонном падении света на дифракционную решетку дифракционная картина «растягивается», так что период дифракционной решетки определяется из соотношения

(3)

где q - угол падения лучей света на решетку.

1. Установите в зажиме препарат с кусочком CD-диска. Отюстируйте прибор.

2. С помощью поворотной планки установите угол падения луча лазера 10° , а затем 20°

Измерьте дифракционные углы j₁ и j₂ в этих случаях. При этом на экране наблюдается нулевой максимум, который не следует включать в расчёты.

3. По формуле (3) вычислите период дифракционной решетки d и число дорожек n на 1 мм CD-диска. В выводе сравните результат измерений с результатом, полученным в задании 1.

Часть II. Поляризация света и экспериментальная установка

В электромагнитной световой волне электрический вектор

и магнитный вектор

перпендикулярны друг другу и направлению распространения

светового луча, т. е. световая волна является поперечной.

Если ориентация векторов

или в любой точке на луче меняется хаотически, т. е. все направления этих векторов равноправны, то свет считается неполяризованным или естественным (рис. 3. а).

Свет считается плоско (линейно) поляризованным, если при его распространении в любой заданной точке конец векторов и описывает прямую линию. Плоскость, в которой располагаются векторы и называется плоскостью колебаний, а перпендикулярная к ней – плоскостью поляризации (рис. 3. б).

Свет может быть поляризован частично, тогда доля присутствующего в нем поляризованного света оценивается в процентах и степень поляризации Р определяется по формуле: