Устройство для демонстрации явлений интерференции и дифракции света

(5)5 6 09 В 23/2 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ(56) Авторское свидетельство СССРМ 1541660, кл. 6 09 В 23/22, 1988,(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДЕМОНСТРАЦИИЯВЛЕНИЙ ИНТЕРФЕРЕНЦИИ ИДИФРАКЦИИ СВЕТА(57) Изобретение относится к средствамобучения, в частности к учебным приборампо физике, и может быть использовано вряде лекционных наглядных экспериментов, таких как расходимость лазерного пучка, корреляция лазерного излучения пристатистических явлениях интерференции идифракции 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,свете, степень когерентности, область когерентности и т,п. Целью изобретения является расширение демонстрационных возможностей и повышение демонстрационнойй 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 диффуэно рассеянного света на экране 5, который отображает демонстрируемое явление 6, обьемная бипризма Френеля 7, блок 8 считывания информации, предназначенный для считываниясигналов интенсивности с экрана 5 фото- датчиком 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 фазы 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 объект 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, играющих роль когерентных источников света, Размер области когерентности (т,е. размер пятна) в каком-либо направлении оказывается обратно пропорционален размеру источника в этом направлении. Степенькогерентности 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 когерентн ости,10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 В случае двух диффузных источников, которые можно создать путем помещения бипризмы Френеля, пятна модулируются интерференционными полосами, шириной Л=ЛО 1,где Л - длина волны источника света;- расстояние от матового стекла до экрана;- расстояние между двумя источниками диффузного света.В пределах пятен фазы постоянны, од. нако непостоянная разность фаз: она меняется при изменении разности кода внутри пятна. Таким образом, внутри пятна наблюдаются полосы Юнга с расстоянием между ними, равным Л О. 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 Э ВМ 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. Когерентныйисточник 1 и короткофокусный объектив 2 неподвижно закреплены на оптической скамье, а диффузионный рассеиватель 4 установлен на подвижном столике, имеющем плавное перемещение вдоль оптическойоси установки. При перемещении диффузионного рассеивателя 4 размер освещеннойобласти. т.е, размер источника, изменяется от величины, равной диаметру лазерногопучка 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 б 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 цилиндри ческого 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 б. 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 б по точкам, количество которых задается заранее и равно1 о2 =1024 точкам, Сигналы обеспечивают формирование цветного Р, С В изображения телевизионного устройства, входящего в состав блока обработки сигналов. При выдаче очередного сигнала интенсивности на экран блок 8 считывания перел 1 ещается в новое положение, и через интервал времени Т=0,1 с считывается новый уровень интенсивности 1(1) который выдается на экран, и так до тех пор, пока не будет проиден весь экран, Зная длину волны Я, расстояниедо экрана, на проекционном экране строится также заранее рассчитанная картина по теореме Ван-Циттерта-Цернике. В результате на проекционном экране 11 фор.мируются заранее рассчитанное явление 12и непосредственно снятое с демонстрируемого явления б, Явления отображаются на5 проекционном экране 11 в разных цветах,что позволяет легко сравнить зависимостьширины пространственного спектра источника от его линейных размеров, а такжезависимость размеров области когерентно10 сти от размеров источника и расстояний доэкрана 5.Для наблюдения интерференции в диффузно рассеянном свете перед коротксфокусным обьективом 2 устанавливается15 бипризма Френеля 7, в этом сл,чае лазерный луч разбивается на два пучка с угломрасхождения, равнымг =2(п) а,где а - преломляющий угол биприэмы 7;20 и - ее показатель преломления,В результате объективом 2 в плоскостидиффузионного рассеивания 4 формируетсядва источника диффузного света, расстояние между которыми 1= 1, что соответствует25 опыту Юнга, а перемещая диффузионныйрассеиватель 4, подбирают размер областикогерентности, при котором внутри зеренукладывается несколько интерференционных полос. При этом отмечается отсутствие30 корреляции между интерференционнымиполосами в разных пятнах. а также широкаяобласть локализации полос, соответствующих Юнге.Таким образом, устройство позволяет35 наглядно показать зависимость шириныпространственного спектра источника отего линейных размеров, степень когерентности, область когерентности, интерференции в диффузно рассеянном свете и40 добиться максимальной контрастности полос в опыте Юнга, области локализации интерференционных полос и так далее, чторасширяет демонстрационные возможности применения устройства. Демонстраци 45 онная наглядность устройства повышена засчет одновременчого показа явлений интерференции полностью и частично когерентного источников,Формула изобретения50 1. Устройство для демонстрации явленийинтерференции и дифракции света, содержащее последовательно расположенные когерентный источник света, бипризмуФренеля. преобразуюгций оптивский эле 55 мент, экран, блок считывания и обработкиоптической информации, о т л и ч а ю щ е ес я тем. что, с целью расширения демонстрационных возможностей и повышения демонстрационной наглядности засчет1622897 оставитель В. Варламоехред М Моргентал цова ррект акт У Подписноеета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССРа, Ж, Раушская наб,. 4/5 Заказ 112 Тира ВНИИПИ Государственного к 113035, Моизводственно-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 статиче ских явлений интерференции и дифракции,короткофокусный объектив и биприэма Френеля выполнены съемными,