SU1622897A1

SU1622897A1 - Устройство дл демонстрации влений интерференции и дифракции света

Info

Publication number: SU1622897A1
Application number: SU894668523A
Authority: SU
Inventors: Лев Павлович Авакянц; Михаил Григорьевич Вабищевич; Алексей Николаевич Матвеев; Евгений Владимирович Яковлев
Original assignee: МГУ им.М.В.Ломоносова
Priority date: 1989-02-16
Filing date: 1989-02-16
Publication date: 1991-01-23

Abstract

Изобретение относитс к средствам обучени , в частности к учебным приборам по физике, и может быть использовано в р де лекционных нагл дных экспериментов , таких как расходимость лазерного пучка , коррел ци лазерного излучени при статистических влени х интерференции и дифракции частично когерентного света, интерференци в диффузно рассе нном свете, степень когерентности, область когерентности и т.п. Целью изобретени вл етс расширение демонстрационных возможностей и повышение демонстрационной нагл дности устройства за счет одновременного показа влений интерференции полностью когерентного и частично когерентного источников. Устройство содержит последовательно расположенные когерентный источник света, бипризму Френел , преобразующий оптический элемент, экран и блок считывани и обработки оптической информации. Преобразующий оптический элемент выполнен в виде взаимно подвижных короткофокусного объектива и диффузного рассеивател , размещенного в фокальной зоне короткофокусного объектива . Возможно выполнение короткофокусного обьектива и бипризмы Френел съемными. 1 з.п. ф-лы. 2 ил. (/)

Description

Изобретение относитс к средствам обучени , в частности к учебным приборам по физике, и может быть использовано в р де лекционных нагл дных экспериментов , таких, например, как расходимость лазерного пучка, коррел ци лазерного излучени при статистических влени х интерференции и дифракции частично когерентного света, интерференци в диффузно рассе нном свете, степень когерентности, область когерентности.

Целью изобретени вл етс расширение демонстрационных возможностей и повышение демонстрационной нагл дности за счет одновременного показа влений интерференции полностью когерентного и частично когерентного источников.

На фиг. 1 приведена оптическа схема по наблюдению интерференции в диффузно рассе нном свете; на фиг. 2 - обща графическа схема устройства дл демонстрации статистических влений интерференции и дифракции света.

Устройство содержит когерентный источник 1, например аргоновый лазер, короткофокусный объектив 2, служащий дл формировани пучка света в фокальной плоскости 3 объектива 2, диффузионный рассе- иватель 4 (например, матовое стекло), служащий дл создани диффузио рассе нного света на экране 5, который отображает демонстрируемое вление 6, объемна бипризма Френел 7, блок 8 считывани информации , предназначенный дл считывани

о

hO

ю

00

о VI

сигналов интенсивности с экрана 5 фотодатчиком 9, предназначенным дл получени и формировани телевизионного цветного сигнала с наблюдаемого физического влени , телевизионное цветное проекционное устройство 10, формирующее цветное видеоизображение на проекционном экране 11, отображающем графически поступающую на него информацию, и заранее рассчитанное вление 12, показываемое на проекционном экране 11.

Явлени интерференции и дифракции частично когерентных волн важны при практическом применении оптических методов исследовани в различных област х науки и техники. Однако при изучении этих вопросов , требующих учета статистических свойств световых волн, возникают трудности при освоении таких пон тий в оптике, как степень когерентности, область когерентности , зависимость ширины пространственного спектра источника от его линейных размеров и т.п. Нарушение когерентности излучени источника св зана со случайными изменени ми амплитуды и фа- - зы колебаний при испускании волн различными участками (атомами) источника света, а также с его прот женностью. Мгновенное распределение интенсивности светового пол , создаваемого таким источником, может быть смоделировано и нагл дно показано на примере пол , возникающего при освещении диффузно рассеивающего обь- екта когерентным излучением. Изменение толщины отражательной, поглощательной способности и коэффициента преломлени приводит к модул ции 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 , когерентна волна, проход через матовое стекло, приобретает случайное приращение фазы, измен ющейс от точки к точке его поверхности.

Нерегул рность функции пропускани диффузного объекта приводит к нерегул рности распределени освещенности экрана . В его плоскости возникает система п тен, размер и расположение которых случайны . Их можно представить как результат суперпозиции дифракционных картин от большего числа малых, статистических беспор дочно расположенных отверстий, игра- ющих роль когерентных источников света. Размер области когерентности (т.е. размер п тна) в каком-либо направлении оказываетс обратно пропорционален размеру источника в этом направлении. Степень

когерентности и размер области когерентности , определ емые радиусом пространственной когерентности, вл ютс усредненными характеристиками светового

пол , полученными в результате статистического усреднени фаз. Поэтому среднее зерно п тна и есть область когерентности, а его средний размер - размер области когерентности .

В случае двух диффузных источников, которые можно создать путем помещени бипризмы Френел , п тна модулируютс интерференционными полосами, шириной

.

где Я - длина волны источника света;

L - рассто ние от матового стекла до экрана;

I - рассто ние между двум источниками диффузного света.

В пределах п тен фазы посто нны, однако непосто нна разность фаз: она мен етс при изменении разности кода внутри п тна. Таким образом, внутри п тна наблюдаютс полосы Юнга с рассто нием между

ними, равным A L/I. В п тнах амплитуда одинакова, поэтому контрастность полос получаетс максимальной, причем в расположении полос разных п тен нет никакого соответстви , поскольку распределение фаз

п тен случайно. Наблюдаемое распределение освещенностей экрана 5 не вл етс простым наложением интерференционной картины, получаемой от бипризмы Френел 7 и п тна от диффузного рассеивател 4, в

чем убеждаютс , убрав диффузный рассеи- ватель 4 и получив на экране 5 от бипризмы Френел 7 полосы, которые определ ютс расходимостью лазерного луча и преломл ющим углом бипризмы Френел 7. Область

локализации интерференционных полос оказываетс значительно меньше области локализации интерференционной картины в схеме Юнга. Наличие возможности съема информации с экрана через подвижный датчик и ЭВМ и дальнейший вывод на проекци- онный телевизионный экран дает возможность более точно анализировать демонстрируемое вление.

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 осве- щенной области завис т от типа примен емой оптики и- рассто ни от фокальной плоскости объектива до диффузионного рассеивател 4. Когерентный

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 рассеивател 4 размер освещенной области, т.е. размер источника, измен етс от величины, равной диаметру лазерного пучка в перет жке 1 мкм, диффузионный рассеиватель А находитс в фокальной плоскости 3 короткофокусного обьектива 2, до значени 10 мм (диффузионный рассеиватель 4 находитс от фокальной плоскости 3 короткофокусного обьектива 2 на рассто нии 10 мм). При этом на экране 5 зерна демонстрируемого влени 6 измен ютс от нескольких метров до нескольких миллиметров , если экран 5 находитс на рассто нии около 10 м от диффузионного рассеивател 4. Измен размеры источника и рассто ние до экрана 5. можно продемонстрировать зависимость размеров области когерентности от этих параметров а при использовании цилиндрического обьектива 2 позвол ет получить источник света в виде узкой щели, ориентацию которой можно измен ть путем вращени цилиндрического обьектива 2 вокруг оптической оси Это позвол ет нагл дно показать зависимость ширины пространственного спектра источника от его линейных размеров. Вертикальное расположение щели приводит к выт нутости зерен в горизонтальном направлении , а его поворот - к изменению ориентации п тен.

Затем блок 8 считывани информации помещают в крайнее нижнее левое положение экрана 5 в зоне демонстрируемого влени 6. Подав временной интервал перемещени фотодатчика, задают врем перемещени блока 8 считывани от гонки к точке, равным ,1 с, вдоль горизонтальной оси и снимают уровень интенсивности демонстрируемого влени 6 по точкам, количество которых задаетс заранее и равно 2 1024 точкам. Сигналы обеспечивают формирование цветного R, G В изображени телевизионного устройства, вход щего в состав блока обработки сигналов. При выдаче очередного сигнала интенсивности на экран блок 8 считывани перемещаетс в новое положение, и через интервал времени ,1 с считываетс новый уровень интенсивности l(k) который выдаетс на экран, и так до тех пор, пока не будет пройден весь экран. Зна длину волны Я , рассто ние L до экрана, на проекционном экране строитс также заранее рассчитанна картина по теореме Ван-Циттерта-Цернике. В

результате на проекционном экране 11 формируютс заранее рассчитанное вление 12 и непосредственно сн тое с демонстрируемого влени 6. Явлени отображаютс на 5 проекционном экране 11 в разных цветах, что позвол ет легко сравнить зависимость ширины пространственного спектра источника от его линейных размеров, а также зависимость размеров области когерентно 10 сги от размеров источника и рассто нгй до экрана 5.

Дл наблюдени интерференции вдиф- фузно рассе нном свете перед коротксфокусным обьективом 2 устанавливаетс 15 бипризма Френел 7, в этом случае лазерный луч разбиваетс на два пучка с углом расхождени , равным

(п-1)а. где п.- преломл ющий угол бипризмы 7;

0п - ее показатель преломлени .

В результате обьективом 2 в плоскости диффузионного рассеивани 4 формируетс два источника диффузного света, рассто ние между которыми I t f, что соответствует

5 опыту Юнга, а перемеща диффузионный рассеиватель А, подбирают размер области когерентности, при котором внутри зерен укладываетс несколько интерференционных полос При этом отмечаетс отсутствие

0 коррел ции между интерференционными полосами в разных п тнах, а также широка область локализации полос, соответствующих Юнге.

Таким образом, устройство позвол ет

5 нагл дно показать зависимость ширины пространственного спектра источника от его линейных размеров, степень когерентности , область когерентности, интерференции в диффузно рассе нном свете и

0 добитьс максимальной контрастности полос в опыте Юнга, области локализации интерференционных полос и так далее, что расшир ет демонстрационные возможности применени устройства. Демонстраци5 онна нагл дность устройства повышена за счет одновременного показа влений интерференции полностью и частично когерентного источников.

Claims

01. Устройство дл демонстрации влений

интерференции и дифракции спета, содержащее последовательно расположенные когерентный источник света, бипризму Френел , преобразующий оптический эле5 мент, экран, блок считывани и обработки оптической информации, отличающее- с тем. что, с целью расширени демонстрационных возможностей и повышени демонстрационной нагл дности за счет

одновременного показа влений интерференции полностью когерентного и частично когерентного источников, преобразующий оптический элемент выполнен в виде последовательно размещенных и подвижных относительно друг друга короткофокусного объектива и диффузного рассеивател , причем диффузный рассеиватель размещен в фокальной зоне короткофокусного объектива.
2. Устройство по п. 1, отличающее- с тем, что, с целью демонстрации статических влений интерференции и дифракции, короткофокусный объектив и бипризма Френел выполнены съемными.

/

X /

Фиг.2

Фиг.1

-П