Устройство для демонстрации явлений интерференции и дифракции света

 

Изобретение относится к средствам обучения, в частности к учебным приборам по физике, и может быть использовано в ряде лекционных наглядных экспериментов , таких как расходимость лазерного пучка , корреляция лазерного излучения при статистических явлениях интерференции и дифракции частично когерентного света, интерференция в диффузно рассеянном свете, степень когерентности, область когерентности и т.п. Целью изобретения является расширение демонстрационных возможностей и повышение демонстрационной наглядности устройства за счет одновременного показа явлений интерференции полностью когерентного и частично когерентного источников. Устройство содержит последовательно расположенные когерентный источник света, бипризму Френеля, преобразующий оптический элемент, экран и блок считывания и обработки оптической информации. Преобразующий оптический элемент выполнен в виде взаимно подвижных короткофокусного объектива и диффузного рассеивателя, размещенного в фокальной зоне короткофокусного объектива . Возможно выполнение короткофокусного обьектива и бипризмы Френеля съемными. 1 з.п. ф-лы. 2 ил. (/)

СОЮЗ СОВЕ ТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 G 09 В 23/22

ГОСУДАРСТВЕННЫИ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ос ,К) (ЬЭ ,00 Ю (21) 4668523/12 (22} 16.02,89 (46) 23.01.91. Бюл. М 3 (71) МГУ им. М.В. Ломоносова (72) Л.П. Авакянц, М.Г, Вабищевич, А.Н. Матвеев и Е,В. Яковлев (53) 53.05(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

N 1541660, кл. G 09 В 23/22, 1988, (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДЕМОНСТРАЦИИ

ЯВЛЕНИЙ ИНТЕРФЕРЕНЦИИ ИДИФРАКЦИИ СВЕТА (57) Изобретение относится к средствам обучения, в частности к учебным приборам по физике, и может быть использовано в ряде лекционных наглядных экспериментов, таких как расходимость лазерного пучка, корреляция лазерного излучения при статистических явлениях интерференции и дифракции частично когерентного света, интерференция в диффузно рассеянном

Изобретение относится к средствам обучения, в частности к учебным приборам по физике, и может быть использовано в ряде лекционных наглядных экспериментов, таких, например, как расходимость лазерного пучка, корреляция лазерного излучения при статистических явлениях интерференции и дифракции частично когерентного света, интерференция в диффузно рассеянном свете, степень когерентности, область когерентности.

Целью изобретения является расширение демонстрационных возможностей и повышение демонстрационной наглядности за счет одновременного показа явлений интерференции полностью когерентного и частично когерентного источников.,. Й2„„1622897 Al свете, степень когерентности, область когерентности и т.п. Целью изобретения является расширение демонстрационных возможностей и повышение демонстрациoHной наглядности устройства эа счет одновременного показа явлений интерференции полностью когерентного и частично когерентного источников, Устройство содержит последовательно расположенные когерентный источник света, бипризму Френеля, преобразующий оптический элемент, экран и блок считывания и обработки оптической информации. Преобразующий оптический элемент выполнен в виде взаимно подвижных короткофокусного объектива и диффузного рассеивателя, размещенного в. фокальной зоне короткофокусного объектива. Возможно выполнение короткофокусного обьектива и бипризмы Френеля сьемными. 1 з.п. ф-лы. 2 ил.

На фиг. 1 приведена оптическая схема по наблюдению интерференции в диффузно рассеянном свете; на фиг. 2 — общая графическая схема устройства для демонстрации статистических явлений интерференции и дифракции света.

Устройство содержит когерентный источник 1, например аргоновый лазер, короткофокусный обьектив 2. служащий для формирования пучка света в фокальной плоскости 3 объектива 2, диффузионный рассеиватель 4 (например, матовое стекло), служащий для создания диффузно рассеянного света на экране 5, который отображает демонстрируемое явление 6, объемная бипризма Френеля 7, блок 8 считывания информации, предназначенный для считывания

1622897 тн ости, сигналов интенсивности с экрана 5 фотодатчиком 9, предназначенным для получения и формирования телевизионного цветного сигнала с наблюдаемого физического явления, телевизионное цветное проекционное устройство 10, формирующее цветное видеоизображение на проекционном экране 11, отображающем графически поступающую на него информацию, и заранее рассчитанное явление 12, показываемое на проекционном экране 11.

Явления интерференции и дифракции частично когерентных волн важны при практическом применении оптических методов исследования в различных областях науки и техники. Однако при изучении этих вопросов, требующих учета статистических свойств световых волн, возникают трудности при освоении таких понятий в оптике, как степень когерентности, область когерентности. зависимость ширины пространственного спектра источника от его линейных размеров и т,п. Нарушение когерентности излучения источника связана со случайными изменениями амплитудь и фа. зы колебаний при испускании волн раЗличными участками (атомами) источника света, а также с его протяженностью. Мгновенное распределение интенсивности светового поля, создаваемого таким источником, может быть смоделировано и наглядно показано на примере поля, возникающего при освещении диффузно рассеивающего объекта когерентным излучением. Изменение толщины отражательной, поглощательной способности и коэффициента преломления приводит к модуляции амплитуды и фазы отраженного и прошедшего через такой обьект света. При освещении такого объекта мощным источником света, обладающим высокой пространственной и временной когерентностью, например аргоновым лазером, когерентная волна, проходя через матовое стекло, приобретает случайное приращение фазы, изменяющейся от точки к точке его поверхности, Нерегулярность функции пропускания диффузного объекта приводит к нерегулярности распределения освещенности экрана. В его плоскости возникает система пятен, размер и расположение которых случайны. Их можно представить как результат суперпоэиции дифракционных картин от большего числа малых, статистических беспорядочно расположенных отверстий, игра ющих роль когерентных источников света.

Размер области когерентности (т,е. размер пятна) в каком-либо направлении оказывается обратно пропорционален размеру источника в этом направлении. Степень

55 когерентности и размер области когерентности, определяемые радиусом пространственной когерентности, являются усредненными характеристиками светового поля, полученными в результате статистического усреднения фаэ. Поэтому среднее зерно пятна и есть область когерентности, а его средний размер — размер области когеренВ случае двух диффузных источников, которые можно создать путем помещения бипризмы Френеля, пятна модулируются интерференционными полосами, шириной

Л =Л1/1, где 1 — длина волны источника света;

L — расстояние от матового стекла до экрана;

I — расстояние между двумя источниками диффузного света.

В пределах пятен фазы постоянны, однако непостоянная разность фаз: она меняется при изменении разности кода внутри пятна. Таким образом, внутри пятна наблюдаются полосы Юнга с расстоянием между ними, равным il L/I. В пятнах амплитуда одинакова, поэтому контрастность полос получается максимальной, причем в расположении полос разных пятен нет никакого соответствия, поскольку распределение фаз пятен случайно. Наблюдаемое распределение освещенностей экрана 5 не является простым наложением интерференционной картины, получаемой от бипризмы Френеля

7 и пятна от диффузного рассеивателя 4, в чем убеждаются, убрав диффузный рассеиватель 4 и получив на экране 5 от бипризмы

Френеля 7 полосы, которые определяются расходимостью лазерного луча и преломляющим углом бипризмы Френеля 7. Область локализации интерференционных полос оказывается значительно меньше области локализации интерференционной картины в схеме Юнга, Наличие возможности съема информации с экрана через подвижный датчик и 3ВМ и дальнейший вывод на проекцион ный телевизионный экран дает возможность более точно анализировать демонстрируемое явление.

Устройство работает следующим образом.

Излучение от когерентного источника 1 проходит через короткофокусный объектив

2 и освещает диффузионный рассеиватель

4, расположенный вблизи фокальной плоскости 3 объектива 2. Форма и размер освещенной области зависят от типа применяемой оптики и расстояния от фокальной плоскости объектива до диффузионного рассеивателя 4. Когерентный

1622897 источник 1 и короткофокусный объектив 2 неподвижно закреплены на оптической скамье, а диффузионный рассеиватель 4 установлен на подвижном столике, имеющем плавное перемещение вдоль оптической оси установки. При перемещении диффузионного рассеивателя 4 размер освещенной области. т.е, размер источника, изменяется от величины, равной диаметру лазерного пучка в перетяжке 1 мкм, диффузионный рассеиватель 4 находится в фокальной плоскости 3 короткофокусного обьектива 2, до значения 10 мм (диффузионный рассеиватель 4 находится от фокальной плоскости 3 короткофокусного обьектива 2 на расстоянии 10 мм). При этом на экране 5 зерна демонстрируемого явления 6 изменяются от нескольких метров до нескольких миллиметров, если экран 5 находится на расстоянии около 10 м от диффузионного рассеивателя 4. Изменяя размеры источника и расстояние до экрана 5. можно продемонстрировать зависимость размеров области когерентности от этих параметров а при использовании цилиндричегкого обьектива 2 позволяет получить источник света в виде узкой щели, ориентацию которой можно изменять путем вращения цилиндрического обьектива 2 вокруг оптической оси, Это позволяет наглядно показать зависимость ширины пространственного спектра источника от его линейных размеров. Вертикальное расположение щели приводит к вытянутости зерен в горизонтальном направлении, а его поворот — к изменению ориентации пятен.

Затем блок 8 считывания информации помещают в крайнее нижнее левое положение экрана 5 в зоне демонстрируемого явления 6. Подав временной интервал перемещения фотодатчика, задают время перемещения блока 8 считывания от точки к точке, равным Т=0,1 с, вдоль горизонтальной оси и снимают уровень интенсивности демонстрируемого явления 6 по точкам, количество которых задается заранее и равно

2 =1024 точкам. Сигналы обеспечивают

1о формирование цветного R, G В изображения телевизионного устройства, входящего в состав блока обработки сигналов. При выдаче очередного сигнала интенсивности на экран блок 8 считывания перел1ещается в новое положение,и через интервал времени T=0,1 с считывается новый уровень интенсивности l(k). который выдается на экран, и так до тех пор, пока не будет проиден весь экран. Зная длину волны (, расстояние L до экрана, на проекционном экране строится также заранее рассчитанная картина по теореме Ван-Циттерта-Цернике. В

55 результате на проекционном экране 11 формируются заранее рассчитанное явление 12 и непосредственно снятое с демонстрируемого явления 6, Явления отображаются на проекционном экране 11 в разных цветах, что позволяет легко сравнить зависимость ширины пространственного спектра источника от его линейных размеров, а также зависимость размеров области когерентности от размеров источника и расстоян "1 до экрана 5.

Для наблюдения интерференции в д 1ффузно рассеянном свете перед коротксфокусным обьективом 2 устанавливается бипризма Френеля 7, в этом случае лазерный луч разбивается Hd два пучка с углом расхождения, равным г =2(n-1) а, где а — преломляющий угол биприэмы 7; и — ее показатель преломления, В результате обьективом 2 в плоскости диффузионного рассеивания 4 формируется два источника диффузного света, расстояние между которыми1= f, что соответствует опыту Юнга, а перемещая диффузионный рассеиватель 4, подбирают размер области когерентности, при котором внутри зерен укладывается несколько интерференционных полос. При этом отмечается отсутствиекорреляции между интерференционными полосами в разных пятнах. а также широкая область локализации полос, соответствующих Юнге.

Таким образом, устройство позволяет наглядно показать зависимость ширины пространственного спектра источника от его линейных размеров, степень когерентности, область когерентности. интерференции в диффузно рассеянном свете и добиться максимальной контрастности полос в опыте Юнга, области локализации интерференционных полос и так далее, что расширяет демонстрационные возможности применения устройства. Демонстрационная наглядность устройства повышена за счет одновременчого показа явлений интерференции полностью и частично когерентного источников.

Формула изобретения

1. Устройство для демонстрации явлений интерференции и дифракции света, содержащее последовательно расположенные когерентный источник света, бипризму

Френеля. преобразуюгций оптический элемент, экран, блок считывания 11 обработки оптической информации, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что, с целью расширения демонстрационных возможностей и повышения демонстрационной наглядности 3;l счет

1622897

Составитель В. Варламов

Редактор И. Шулла Техред М.Моргентал Корректор О. Кравцова Заказ 112 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб.. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 одновременного показа явлений интерференции полностью когерентного и частично когерентного источников, преобразующий оптический элемент выполнен в виде последовательно размещенных и подвижных относительно друг друга короткофокусного объектива и диффузного рассеивателя, причем диффузный рассеиватель размещен в фокал ьной зоне короткофокусного объектива.

2, Устройство по и, 1, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что, с целью демонстрации статиче5 ских явлений интерференции и дифракции, короткофокусный объектив и биприэма

Френеля выполнены съемными.