ДИФРАКЦИЯ

23. Закономерности дифракции. Пределы геом. оптики.

24. Дифракция на крае экрана.

25. Дифракция Френеля на различных препятствиях.

26. Дифракция Фраунгофера на различных препятствиях.

27. Разрешающая способность линзы.

28. Одномерные и двумерные дифракционные решетки.

29. Измерение длины волны света в веществе.

30. Дифракция света на ультразвуке.

ПОЛЯРИЗАЦИЯ СВЕТА

28. Поляризатор и анализатор. Закон Малюса +

29. Угол Брюстера. Измерение показателей преломления +

30. Эллиптическая поляризация +

31. Искусственная оптическая анизотропия (фотоупругость)

32. Естественное вращение плоскости поляризации +

33. Магнитное вращение плоскости поляризации

ДИСПЕРСИЯ. СПЕКТРАЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ

34. Дисперсия стеклянной призмы

35. Спектральные параметры дифракционной решетки

36. Интерферометр Фабри-Перо

2. ТЕХНИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ

Источники излучения:

1. Полупроводниковый лазер

длина волны 0,65 - 0,68 мкм

мощность излучения 2-5 мВт

Напряжение питания комплекса 220 В, 50 Гц

Потребляемая мощность 10 Вт

Габаритные размеры 0.56×0,24×0,36 м

Масса комплекта 15 кг

3. СОСТАВ ИЗДЕЛИЯ

Комплексы ЛКО-5 содержат три уровня организации, отвечающих методической целесообразности, и выделенных конструктивно:

- оптическая база, обеспечивающая создание и разводку оптического излучения, размещение функциональных модулей на оптической оси установки с перемещением вдоль оптической оси, размещение вспомогательных и неиспользуемых узлов, электропитание;

- набор функциональных модулей, обеспечивающий необходимые преобразования лазерного пучка, регистрацию излучения, установку и перемещение исследуемых объектов в пучке излучения;

- набор изучаемых объектов, обеспечивающий наблюдение и изучение оптических явлений.

СОСТАВ КОМПЛЕКСА ЛКО - 5

Поз. НАИМЕНОВАНИЕ Количество

1. Каркас 1

2. Регулятор тока. 1

3. Оптическая скамья (рельс) 1

4. Блок питания выносной, 12 В, 5 А 1

5.

6. Модуль 1 - излучатель лазерный = 650 нм, Р= 2 мВт 1

7. Модуль 2 - микропроектор (f=+15мм) -

8. Модуль 3 - микропроектор сканирующий (f=+15мм) -

9. Модуль 4 - фоторегистратор цифровой -

10. Модуль 5 - конденсор (f=+40мм) с экраном -

11. Модуль 6 - объектив (f=+100мм) -

12. Модуль 7 - отражатель с полупрозрачным зеркалом -

13. Модуль 8 - кассета в двухкоординатном держателе -

14. Модуль 10 - кассета в поворотном держателе 1

15. Модуль 12 - поляризатор с нониусом 1

16. Модуль 13 - стол поворотный 1

17. Модуль 21 - фонарь белый -

18.

19. Модуль 29 - окуляр-микрометр с держателем -

20. Модуль 32 - "Фотоупругость" - -

21. Мультиметр - тип М830В на кронштейне 1

22. Кассета для объектов 1

23. Набор объектов 1

24. Комплект ЗИП 1

25. Паспорт и техническое описание 1

26. Учебное пособие "Модульный оптический практикум" 1

НАБОР ОБЪЕКТОВ

Набор объектов включает оптические элементы, установленные в прямоугольных экранах, на которых нанесен номер объекта. Некоторые объекты (кюветы) используются без экранов.

Номер Содержание Количество

объекта

1.Шкала прямоугольная 1.00 мм -

4. Пластина стекл. плоскопаралл., толщина ______ мм -

5. Пластина стекл. плоскопаралл., толщина ______ мм -

6. Пластина пластмассовая, толщина 4,3 мм 1

7. Клин стеклянный, угол =_______ градусов -

8. Призма крон 60° -

9. Призма флинт 60 1

11. Бипризма -

12. Линза f = + (300 - 500) мм -

13. Линза f = +(25-30)мм -

14. Линза f = -(100-150)мм -

15. Диск 2.0 мм -

16. Зонная пластинка -

17. Сложная фигура -

18. Круглое отверстие 1,0 мм -

19. Круглое отверстие 2.0 мм -

20. Квадратное отверстие 2х2 мм -

21. Прямоугольное отверстие 1х2 мм -

22. Треугольное отверстие -

23. Щель 0,5 мм -

24. Щель 1,0 мм -

25. Щель раздвижная -

2 5М. Щель раздвижная микрометрическая -

26. Диафрагма 0,5-5 мм -

27. Две щели, шаг = 1,0 мм -

28. Две щели, шаг = 2,0 мм -

29. Три щели, шаг = 1,0 мм -

30 Четыре щели шаг = 1,0 мм -

31. Решетка линейная, шаг = 0,3 мм -

32. Решетка линейная, шаг =0,6 мм -

33. Решетка квадратная -

34. Решетка прямоугольная -

35. Решетка косоугольная -

36. Решетка хаотическая -

37 Поляризатор 1

38. Фотодатчик диодный 1

39. Кристаллическая пластина (слюда) -

40. Кристаллическая пластина . -

41. Кристаллическая пластина -

42. Линза-насадка (f = -100 мм) 1

43. Кювета 120 мм для газов (в составе модуля 14) -

44. Кювета 120 мм для жидкостей 2

45. Свободный экран 1

46. "Кольца Ньютона" -

47. Матовое стекло -

48. Кювета 10 мм -

49. Кювета 20 мм -

50.

51. Брусок стеклянный (в сост. мод. 32 "Фотоупругость") -

4. УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП РАБОТЫ

Общий вид установки ЛКО-5 приведен на рис.1. Обозначения позиций на рисунке соответствуют номерам элементов установки в перечне состава изделия (стр.3).

Рис.1. Лабораторный оптический комплекс ЛКО-5

ОПТИЧЕСКАЯ БАЗА

Каркас установки состоит из двух боковин 1.1, стянутых оптической скамьей 3, плитой-основанием и задней стенкой.

Вдоль каркаса размещена оптическая скамья 3, состоящая из двух рельс. Оптическая ось установки расположена симметрично относительно оптической скамьи на высоте 45 мм от верхнего края рельс.

Излучатель 6 (лазер в держателе с 5 степенями свободы) установлен на оптической оси установки над оптической скамьей.

Под оптической скамьей расположен регулятор тока (поз.2 на рис.1). На боковой стенке регулятора находятся два разъема СГ-5. К одному из них (любому) подключается блок питания навесной, к другому - полупроводниковый лазер, фоторегистратор ИСФ-1 или иные приборы. Назначение контактов разъемов:

1 - свободный

2 - общий

3 - питание +12 В и питание лазера ("плюс")

4 - питание лазера ("минус")

5 - свободный

На передней панели регулятора размещен реостат и два гнезда питания фонарей с указанием полярности. Реостат регулирует ток лазера в пределах 0-80 мА и ток питания фонарей, при этом максимуму тока лазера отвечает минимум тока подключенного фонаря.

На задней стенке и на боковых стенках каркаса размещен белый экран.

Схема излучателя (рис.2) приведена на рис.3.

Рис. 2. Излучатель с линзой-насадкой на оптической скамье

Лазер, смонтированный со схемой стабилизации тока в оправе 5 вставлен в трубу 7, закрепленную подвижно в корпусе 3. Корпус установлен на двух стойках 11. Двумя передними винтами 6 и двумя задними винтами 2 лазер можно перемещать относительно корпуса, подбирая нужное положение и направление пучка излучения. Поляризация излучения - линейная. Плоскость колебаний вектора параллельна оси рукоятки 4, с помощью которой лазер поворачивается вокруг оптической оси.

Рис. 3. Схема излучателя

Насадка 9 с рассеивающей линзой 10 (объект 42) позволяет получить расходящийся пучок излучения. Насадка крепится на трубе излучателя винтом 8. Питание подается через разъем 1.

ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ МОДУЛИ

Функциональные модули размещены в держателях и установлены на рейтерах. Рейтеры обеспечивают установку модулей на оптической скамье и перемещение модулей вдоль оптической скамьи. Держатели обеспечивают котировочные перемещения модулей. Номера модулей нанесены на их корпусах.

Поворотный держатель (рис.4) состоит из корпуса 1 и обоймы 2, соединенной с круговой шкалой 3.

Поворот обоймы вокруг оси О-О производится рукояткой 4. Отсчет угловых координат производится по основной шкале 3 (цена деления 2°) и нониусу 5 (цена деления 0,5⁰).

Рис. 4. Поворотный держатель

Рычаг 6 поворачивают до совпадения его горизонтальной риски с одним из делений основной шкалы и снимают отсчет по основной шкале. К полученному значению прибавляют отсчет по нониусу. Таким методом можно снимать отсчеты с разрешением 0,1 при погрешности порядка 0,2°. Углы поворота определяют как разности угловых координат.

Для введения модуля в оптическую схему следует поставить соответствующий рейтер на оптическую скамью. При необходимости рейтер может быть закреплен на оптической скамье винтом.

МОДУЛЬ 10 (рис.5) содержит кассету, а МОДУЛЬ 12 (рис.6) - поляризатор, которые могут поворачиваться вокруг оптической оси установки. Плоскость поляризатора (т.е. плоскость колебаний вектора излучения, прошедшего через поляризатор) установлена параллельно направлению рукоятки I шкалы поворотного держателя.

Рис. 5. Кассета

МОДУЛЬ 13 (стол поворотный, рис. 7) предназначен для установки объектов с возможностью поворота вокруг вертикальной оси, а также для отсчета угловых координат и углов поворота.

Рис. 7. Стол поворотный

Поворот стола производится ручкой 1. Отсчет угловых координат производится по основной шкале 2 (цена деления 2°) и нониусу 3 (цена деления 0,2⁰) Рычаг 4 поворачивают до совпадения его вертикальной риски с одним из делений основной шкалы и снимают отсчет по основной шкале. К полученному значению прибавляют отсчет по нониусу. Таким методом можно снимать отсчеты с разрешением 0,1⁰ при погрешности порядка 0,2°. Углы поворота определяют как разности угловых координат.

Объекты вставляют в кронштейны 5. Винтом 6 регулируют наклон платформы стола и установленного на столе объекта.

БЛОК ПИТАНИЯ ВЫНОСНОЙ (рис.8) обеспечивает постоянное стабилизированное напряжение 12 В при токе нагрузки до 0,5 А

Рис. 8. Блок питания выносной

Блоки питания лазерного излучателя и фоторегистратора взаимозаменяемы. Выходное напряжение выведено через кабель на разъем типа СШ-5 (контакт 2 - минус, контакт 3 - плюс), который вставляется в одно из гнезд системы питания ЛКО или в гнездо питания фоторегистратора.

Рис. 9

Рис. 10.

ОБЪЕКТЫ

Набор изучаемых объектов находится в кассете в полости каркаса установки (рис.11). Объекты, как правило, смонтированы в экранах размерами 80X40X4 мм, которые вставляются в кассеты функциональных модулей. Номера объектов нанесены на экранах. В таблице приведен базовый набор объектов, являющийся частью расширенного набора, поэтому некоторые номера в перечне отсутствуют.

Рис. 11. Набор объектов в кассете

Большая часть объектов - тонкие пластины, пленки или линзы, расположенные в средней плоскости соответствующего экрана. При установке экрана в кассету функционального модуля эта плоскость оказывается напротив риски рейтера или иной характерной отметки на модуле. Тем самым определяется координата объекта на оптической скамье. Содержание объектов как правило, понятно из таблицы (стр.4). Поясним некоторые из них.

ОБЪЕКТ 1 - сетка с шагом 1 мм, используется для калибровки увеличения оптических устройств.

ОБЪЕКТ 5 - плоскопараллельная стеклянная пластина толщиной 4-8 мм. Точное значение толщины указывается в паспорте установки или определяется студентом самостоятельно.

ОБЪЕКТЫ 15-24 и 27-36 - пленки с определенным распределением коэффициента пропускания. Качество пленок соответствует требованиям голографии. Пленки чувствительны к механическим воздействиям, их нельзя трогать пальцами.

ОБЪЕКТЫ 25 и 25М - раздвижные щели. Щель 25М имеет шкалу с ценой деления 0,05 мм, по которой можно снимать "на глаз" отсчеты с разрешением 0,01 мм и погрешностью 0,02 мм.

ОБЪЕКТ 39 - пластина слюды толщиной 30-60 мкм (точное значение приведено в паспорте или определяется студентом). В плоскости пластины находятся две главные оси кристалла, соответствующие показателям преломления .

ОБЪЕКТЫ 40 и 41 - кварцевые пластинки, толщина которых определяется условием или , при этом d~l мм, что соответствует . В базовом наборе эти объекты, как правило, отсутствуют.

ОБЪЕКТ 43 - кювета для газов, в которую ввернуты две короткие трубки (штуцеры) для подключения к пневмоблоку при измерении показателя преломления воздуха. Защитные стекла (окна кюветы) имеют резиновые уплотнения, обеспечивающие герметичность кюветы. Длина воздушного столба - 120мм.

ОБЪЕКТ 44 - кювета для жидкостей. Предназначена для изучения оптических явлений при прохождении света через жидкость. Длина столба жидкости равна 120 мм.

Для заполнения жидкостью отворачивают крышку кюветы, снимают защитное стекло и наливают жидкость так, чтобы получить слегка выпуклый мениск. Затем кладут стекло на мениск и завинчивают крышку. Таким методом удается заполнить кювету без воздушных пузырей. Излишки жидкости вытирают чистой салфеткой.

ОБЪЕКТЫ 48 и 49 - кюветы для жидкости с толщиной слоя жидкости соответственно 10 и 20 мм. Предназначены для измерения показателя преломления жидкостей, а также для измерения показателя поглощения растворов путем сравнения интенсивности света, прошедшего через слои жидкости разных толщин.

Суммарная толщина двух стеклянных окон кюветы d₂ = 3,4 мм.

ОБЪЕКТ 45 - свободный экран, в который студент может установить интересующий его объект. Белая наклейка со шкалой служит экраном при наблюдениях в прямом пучке лазера.

ОБЪЕКТ 38 - фотодатчик (рис.12) содержит фотодиод в светонепроницаемой оправе. 1 с входным окном (отверстие диаметром 3 мм) в экране 2. Датчик установлен на стандартном экране 3 размерами 40X80 мм, который вставляется в кронштейны поворотного стола, при этом окно датчика оказывается на уровне оптической оси установки. С помощью зацепа 4 датчик можно подвесить на задней или боковой стенке каркаса установки. Датчик подключают непосредственно к микроамперметру (мультиметр на кронштейне, поз. 21 в перечне состава изделия, также подвешиваемый на стенку каркаса), и измеряют фототок в режиме "короткого замыкания".

Рис. 12. Фотодатчик

5. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ПРИМЕНЕНИЮ

5.1. РАСПАКОВКА И ЗАПУСК УСТАНОВКИ

Для приведения установки из транспортного в рабочее состояние следует:

1. Распаковать установку (зимой - после выдерживания при комнатной температуре не мене 4 часов). Удалить амортизирующие прокладки.

2. Ввести разъем блока питания через окно в задней стенке установки и подключить его к одному из разъемов регулятора тока.

3. Подключить разъем кабеля лазера к разъему регулятора тока (может быть подключен в состоянии поставки.

4. Включить блок питания в сеть 220 В.

5. Реостатом регулятора тока установить удобную для экспериментов интенсивность излучения лазера.

5.2. НАСТРОЙКА УСТАНОВКИ

Настройка заключается в фиксации лазерного луча и центров оптических элементов на оптической оси установки, расположенной на высоте 45 мм от верхнего края рельс или, что то же, 40 мм от верхней плоскости рейтеров. Совместную настройку группы оптических элементов называют юстировкой.

Положение оптической оси после юстировки определяется положением центра окна фотодатчика (объект 38, рис.12), вставленного до упора в кронштейны поворотного стола (модуль 13).

Как с линзой-насадкой, так и без нее, пучок света выходит из излучателя немного не параллельно оси трубы (поз.7 на рис.3.). При повороте трубы юстировка сбивается, и ориентацию излучателя следует поправлять перед каждым экспериментом.

Грубая юстировка (обозначения по рис. 3). Поворотом винтов 2 и 6 установите трубу с лазером в средней части корпуса и направьте пучок излучения приблизительно вдоль оптической скамьи.

Точная юстировка. Придвиньте стол с установленным в нем фотодатчиком к излучателю Поворотом передних винтов излучателя (поз.6 на рис.3) совместите центр пятна излучения лазера с центром окна излучателя.

Отодвиньте стол с фотодатчиком как можно дальше от излучателя. Поворотом задних винтов излучателя (поз.2 на рис.3) совместите центр светового пятна с центром окна излучателя. Операцию точной юстировки повторите 2-3 раза, пока смещение светового пятна от номинального положения при перемещении микропроектора не окажется меньше радиуса этого пятна.

В процессе эксперимента можно, смещая излучатель или исследуемые элементы винтами двухкоординатных держателей, перемещать картину на экране в положение, удобное для наблюдений или измерений.

5.3. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ИНТЕНСИВНОСТИ

Изучаемое распределение интенсивности или изображение объекта размещают и нужным образом ориентируют на окне фотодатчика. Для того, чтобы результат измерений не зависел от малых смещений и дрожаний луча, пучок расширяют с помощью линзы-насадки, и "наводят" на окно фотодатчика наиболее равномерную часть следа пучка.

Фотодатчик подключают к микроамперметру (предел 200 мкА или 2000 мкА) и измеряют ток "короткого замыкания". При таком режиме обеспечивается хорошая линейность измерений и отсутствие темновых токов. На рис.1 виден мультиметр, подвешенный на задней стенке установки. Этим прибором значения интенсивности показываются в условных единицах (микроамперах). Для нахождения интенсивности в абсолютных единицах необходима калибровка фотодатчика. В большинстве экспериментов важны лишь относительные значения интенсивности. Тогда калибровка не требуется, и используются условные значения интенсивности.