Учебный прибор по оптике

 

Сущность изобретения: прибор содержит источник света, собирающую линзу, поляризационную часть, состоящую из поляроида-поляризатора, толстой плоскопараллельной пластинки, выпиленной из одноосного кристалла параллельно оптической оси поляроида-анализатора, и экран наблюдения. Новое в приборе состоит в том, что он имеет вторую кристаллическую пластинку, идентичную первой, расположенную вслед за первой, поворот второй пластинки в своей плоскости на 90° и переход к компенсационному расположению позволяет добиться высокой степени временной когерентности перекрывающихся пучков без монохроматизации первичного светового пучка и высокой степени их пространственной когерентности без ограничения размеров освещающего источника и без использования фокусирующей оптики. Прибор позволяет получить высококонтрастную протяженную яркую и красочную интерференционную картину при любом удалении экрана наблюдения и дать ясную интерпретацию природы явления, исходя из соображений симметрии кристаллооптической системы. 1 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ,М

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4906875/12 (22) 31.01.91 (46) 15.12.92. Бюл. N 46 (75) Я.Е.Амстиславский (56) Поль P.Â. Оптика и атомная физика.

M. Наука, 1966,.с.215. (54) УЧЕБНЫЙ ПРИБОР ПО ОПТИКЕ (57) Сущность изобретения: прибор содержит источник света, собирающую линзу, поляризационную часть, состоящую из поляроида-поляризатора, толстой плоскопараллельной пластинки, выпиленной из одноосного кристалла параллельно оптической оси поляроида-анализатора, и экран наблюдения. Новое в приборе состоит в том, что он имеет вторую кристаллическую пластинку, идентичную первой, располоИзобретение относится к учебно-наглядным пособиям по физике и предназначено для получения и демонстрации протяженной и яркой картины интерференции в поляризованных лучах немонохроматического (белого) света от кристаллооптической системы, выпиленной параллельно оптической оси.

Известен учебный прибор для демонстрации изохроматических полос от толстой (толщиной в HecKo/lbKQ мм) кристаллической пластинки, выпиленной параллельно оптической оси, принятый за прототип. Это устройство включает монохроматический источник света, конденсатор и фокусирующую линзу, поляризатор, толстую кристаллическую пластинку, выпиленную параллельно оптической оси из одного кристалла (например, из исландского шпата), анализатор, систему проектирующих линз и экран наблюдения, Достоинством прототипа является возмож„„5U„„1781694 А1 женную вслед за первой, поворот второй пластинки в своей плоскости на 90 и переход к компенсационному расположению по зволяет добиться высокой степени временной когерентности перекрывающихся пучков без монохроматизации первичного.светового пучка и высокой степени их пространственной когерентности без ограничения размеров освещающего источника и без использования фокусирующей оптики.

Прибор позволяет получить высококонтрастную протяженную яркую и красочную интерференционную картину при любом удалении экрана наблюдения и дать ясную интерпретацию природы явления, исходя из соображений симметрии кристаллооптической системы. 1 ил. ность получения протяженной интерференционной картины в виде семейства изохроматических полос гиперболической формы.

Вместе с тем, можно отметить следующие QQ существенные недостатки прототипа. К осве- а . щающему источнику предъявляются очень О жесткие требования в плане его монохроматичности, что связано с необходимостью достижения высокой степени временной когерентности перекрывающихся пучков, имеющих сравнительно большую разность хода. По этой причине в качестве источника света в прототипе используется газоразрядная лампа (например, натриевая или ртутная), излучающая отдельные спектральные линии, на одной из которых и ведется наблюдение картины, а остальные устраняются посредством подходящего светофильтра.

Это обстоятельство существенно снижает светосильность устройства и делает мало1781694 эффективным его использование в услови- вать в своей плоскости по часовой стрелке ях большого помещения. Сравнительно: или против нее на нужный угол. большое в случае толстой пластинки попе- . Условия расщепления первичного сверечное смещение обыкновенного и нео- тового пучка в такой системе существенно быкновенного пучков приводит к тому, что 5 разливаются в зависимости от взаимной для достижения достаточно высокой степе- ориентации оптических осей пластинок. ни пространственной когерентности пере- При параллельной ориентации, которую крывающихся пучков необходимо либо можно назвать некомпенсационной, систе- . резко уменьшить поперечные размеры ма вполне эквивалентна одной цельной плаосвещающего источника, что уменьшает 10 стинке удвоенной толщины. При повороте светосильностьсисте1чыиусложняетОСвЕ- ОДнОй ИЗ пластИнск в своей плоскоСти на тительную часть прибора введением диаф- 90 (имеется в виду, что исходное располорагмы и дополнительной оптики, либо жение пластинок является диагональным необходимо проводить наблюдение карти- . и угол между направлением поляризатора ны в фокальной плоскости вспомогательно- 15 и направлением оптической оси пластинок го объектива или отобразить эту плоскость Q-=-45 ) и переходе к компенсационному наэкран наблюдения,чтотребуетвведенМя расположению, при котором оптические в прибор дополнительной проектирующей оси пластинок ориентированы взаимно пероптики, загромождая прибор и делая его . пендикулярно,условия расщепления коренменее свободным. Существенный недоста- 20 ным образом изменяются. ток прототипа в дидактическом плане связан Уменьшение разности хода и образовас трудностями в объяснении наблюдаемого ние системы полос самых первых порядков хода" полос картины, ее геометрии, а стало интерференции(К=О, 1,2,3, ...)обеспечивабыть и природы явления без привлечения ет достижение высокой степени временной достаточно громоздких расчетов. 25 когерентности перекрывающихся пучков в

Все эти недостатки полно1тьйустране- немонохроматическом и даже — в белом свены" в" предлагаемом ниже учебном приборе те. Возможность осуществления опыта в бепо оптике. Прибор позволяет получй1Ъ и йа- лом свете позволяет, во-первых, упростить блюдать высококонтрастную протяженную прибор за счет использования в качестве и яркую интерференционную картину в бе- 30 источника света дешевой малогабаритной лом свете без монохроматизации светового кинопроекцион ной лампы накаливания пучка, без уменьшения размеров осaàùàþ- вместо громоздкого маломощного газоразщего источника и без использования проек- рядного источника линейчатого спектра, тирующей оптики. Таким образом, учебный Во-вторых, наблюдение картины в белом прибор по оптике отличается высокой све- 35 свете обеспечивает возможность выделетосильностью, сочетающейся с простотой ния и установления хода нулевой полосы в конструкции. Вместе с тем, осуществлен- силу ее ахроматичности. При параллельной ный в учебном приборе по оптике переход ориентации поляризатора и анализатора и от наблюдения изохромат высоких поряд- "диагональном расположении кристалличеков к наблюдению изохромат самых первых 40 ских пластин нулевая полоса оказывается порядков (К = О, 1, 2, 3 ...) позволяет дать неокрашенной (белой), а при повороте анапростую и ясную интерпретацию явления и лизатора (или поляризатора) на 90 она геометрии картины на основе соображений становится бархатно-черной. Имея в поле симметрии, что обуславлйвает--дидактиче- зрения в качестве начала отсчета выделяские достоинства учебного прибора no on- 45 ющуюся по своему виду нулевую полосу, можно непосредственно прямым счетом определить порядок интерференции (число К)

Целью изобретения является повыше- любой полосы. В-третьих, наблюдение ярние наглядности путем увеличения степени кой и красочной картины в белом свете су-. — временной когерентности перекрывающих- 50 щественно увеличивает эмоциональность ся пучков без монохроматизации первично- демонстрации. Уменьшение поперечного го светового пучка. смещения лучей, возникающих при двойСущественное конструктивное отличие ном лучепреломлении в кристаллооптичеучебного прибора по оптике от прототипа ской системе обуславливает возможность состоит в том, что вместо одной кристалли- 55 достижения высокой степени пространстческой пластинки, выпиленной параллель- венной когерентности перекрывающихся но оптической оси, в нем используют две- пучков при полном устранении фокусируюпластинки, идентичные по своим размерам щей оптики на выходе из прибора, что прии геометрии, закрепленные s оправе так, водит к существенному упрощению что каждую из пластинок можно поворачи- конструкции прибора. При этом интерфе178169.4

15

25

35

55 ренционная картина оказывается локализованной во всем окружающем пространстве и контрвстная система изохромат формируется при любом удалении экрана наблюдения, что увеличивает, так сказать, "степени свободы" прибора. Формирование картины с простирающейся через все поле зрения нулевой полосой существенно упрощает выяснение природы явления.

На чертеже показан прибор

Прибор содержит осветитель, состоящий из маломощной лампы накаливания и проектирующего конденсора, поляриэацион ный узел, состоящий из поля роида-поляризатора, двух кристаллических пластинок и поляроида-анализатора; и экран наблюдения, Осветитель и поляризационная система закреплены на общем основании.

Детали поляризационной системы закреплены в оправе, имеющей вид полого полуцилиндра с пазами, в которые открыто вложены закрепленные в круглых оправках светофильтр (оранжевое или светло-красное стекло), поляроид-поляризатор, две кристаллические пластинки и поляроиданализатор, Детали поляризационной системы имеют указатели соответствующих направлений: кристаллические пластинки— указатели направления оптической оси, а поляроиды — указатели направлений пропускания. На чертеже дан общий вид учебного прибора по оптике.. Здесь 1 — пластина-основание, на которой крепится осветитель и поляризационная система; 2 — выдвижной патрон осветителя с лампой 8 В; 20 Вт; 3— кожух осветителя; 4 — объектив; 5 — светофильтр (оранжевое или светло-красное стекло); 6 — поля роид-поля ри затор; 7 — первая кристаллическая пластинка; 8 — вторая кристаллическая пластинка; 9 — поляроиданализатор; 10 — оправа для деталей поляризационной системы.

Опыт осуществляют следующим образом.

Указатели поляроидов ориентируют вертикально, а указатели обеих кристаллических пластинок поворачивают на 45 ь одну и ту же сторону. В этом некомпенсационном расположении сйстема из двух параллельно ориентированных пластинок эквивалентная одной цельной пластинке удвоенной толщины, В нашем приборе используются идентичные плоскопараллельные пластинки исландского шпата, выпиленные параллельно оптической оси.

Пластинки отработаны на плоскопараллельность до 2 мкм.

При освещении прибора немонохроматическим (белым) светом интерференционная картина не формируется. В ходе опыта демонстрируют, что при параллельной ори-. ентации пластинок область. перекрывания световых пучков имеет равномерную освещенность, Отсутствие интерференционной картины на экране наблюдение обусловлено отсутствием временной и пространственной когерентности перекрывающихся пучков. Затем поворачивают указатель одной из кристаллических пластинок на 90 в своей плоскости до симметричной его ориентации под углом -45 к направлению поляризатора, т.е. переходят к компенсационному расположению, При этом резко уменьшаются разность хода и смещения лучей, возникающих при двойном лучепреломлении в кристаллооптической системе и возрастает степень временной и пространственной когерентности перекрывающихся пучков, что и обуславливает появление в белом свете контрастной интерференционной картины в виде яркой и красочной системы изохромат гиперболической формы с центральным ахроматическим белым нулевым крестом. При повороте анализатора на 900 система полос смещается на полполосы, происходит обращение картины и белый нулевой крест превращается в бархатно-черный, а окраска иэохромат изменяется на дополнительную.

Опыт отличается высокой эмоциональностью и большой наглядностью. При введении светофильтра 5 картину наблюдают в оранжевом или красном свете. Прибор прост по конструкции, надежен в употреблении и безотказен..Прибор с успехом может быть использован в преподавании курса физики (оптики) в технических вузах, пединститутах и университетах.

Формула изобретения

Учебный прибор по оптике, состоящий из источника света, собирающей линзы, толстой плоскопараллельной двоя копреломляющей пластины, выполненной из одноосного кристалла параллельно оптической оси, двух поляроидов и экрана наблюдения, отличающийся тем, что, с целью повышения наглядности путем увеличения степени временной когерентности перекрывающих пучков без монохроматизации первичного светового пучка, он имеет дополнительную кристаллическую пластину, идентичную первой и расположенную вслед за ней с возможностью поворота в своей плоскости.

1781694

Составитель P.Óæâèé

Техред М.Моргентал Корректор M.CnMBKa

Редактор

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 4275 Тираж Подлисное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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