УЧЕБНО-ДЕМОНСТРАЦИОННАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ОПТИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ И ТЕСТ-ОБЪЕКТ ДЛЯ ЕЕ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2015 года по МПК G09B23/22 

Изобретение относится к области обучающих устройств, предназначенных для проведения школьных исследовательских работ, лабораторных занятий и учебных демонстраций по геометрической и волновой оптике в рамках расширенного курса физики и позволяет реализовать проектно-исследовательский метод обучения на примере основных оптических эффектов, связанных с явлениями интерференции и дифракции монохроматического (лазерного) излучения.

Известен учебно-демонстрационный стенд для изучения и демонстрации световых явлений по патенту РФ №2320023, МПК G09B 23/22, опубл. 20.05.2005 г., содержащий оптическую скамью, лазерный излучатель, набор исследуемых объектов и линзы, закрепленные на стойках, выполненных с юстировкой по вертикали, устройство отображения и блок питания излучателя. В этом устройстве оптическая скамья выполнена в виде прямоугольного кожуха, внутри которого размещены несущие кронштейны с расположенным на них ползуном, к которому крепится стойка исследуемого объекта, причем в одном из несущих кронштейнов размещен электродвигатель, а на другом несущем кронштейне установлены блок питания излучателя и электродвигателя и блок управления. Стойки исследуемого объекта и лазерного излучателя снабжены поворотными головками-дисками, а устройство отображения выполнено в виде перископа, размещенного на стойке, закрепленной на правом несущем кронштейне оптической скамьи, на левом несущем кронштейне закреплена стойка излучателя. Излучатели, исследуемый объект и устройство отображения, выполненное в виде перископа, снабжены развитой системой регуляторов положения. Лазерный излучатель выполнен в двух модификациях - с расширителем светового потока и без него. При помощи электродвигателя и ходовой нити, закрепленной на ползуне, осуществляется плавное перемещение стойки исследуемого объекта между лазерным излучателем и устройством отображения. В качестве исследуемых объектов в известном устройстве используются, очевидно, стандартные оптические объекты (щели, отверстия, решетки и т.п.).

Стенд позволяет исследовать объекты, демонстрирующие явления дифракции и интерференции света. Кроме того, судя по описанию, с его помощью можно изучать эффекты дисперсии, поглощения и поляризации. Однако стенд не пригоден для исследований или демонстраций по геометрической оптике.

Обе модификации лазерного осветителя - с расширителем пучка и без него - создают параллельный пучок, не позволяя проводить исследования в расходящемся пучке (со сферическим волновым фронтом).

Конструкция стенда не предусматривает возможности введения в оптическую схему никаких иных элементов, кроме тех, которые несут на себе три обозначенные в описании опоры. Это существенно сужает область применения стенда.

Известно также устройство для демонстрации явлений оптики по патенту РФ на полезную модель №4179, МПК G09B 23/22, опубл. 16.05.1997 г., содержащее лазер, закрепленный перед ним в держателе преобразующий оптический элемент, экран и рабочий оптический элемент. Лазер имеет автономный источник питания и установлен в держателе, задняя поверхность которого снабжена постоянными магнитами, с возможностью фиксации его во включенном состоянии. Преобразующий оптический элемент представляет собой цилиндрическую линзу для развертывания луча в плоскость, ортогональную экрану, являющемуся магнитной доской. В устройство дополнительно введен набор рабочих оптических элементов, выполненных съемными, для чего их задние поверхности, выполненные диффузно отражающими, снабжены постоянными магнитами. При этом все элементы устройства размещены в чемодане, крышка и дно которого обладают магнитными свойствами, а крышка служит экраном.

Набор рабочих оптических элементов, используемый в устройстве, включает в себя плоско-параллельную пластину, плоско-выпуклую и плоско-вогнутую линзы и прямоугольную призму, обеспечивающие явления преломления света, плоское и кривые зеркала и модель световода, обеспечивающие явления отражения света, отражательную и пропускающую фазовые дифракционные решетки, обеспечивающие явления дифракции света, и две плоско-параллельные пластины, образующие между собой воздушный клин, обеспечивающие явления интерференции света.

Это известное устройство представляет собой один из вариантов демонстрационного комплекта «плоской оптики», в котором реальная трехмерная ситуация заменяется плоской двумерной. Это существенное методическое ограничение, в частности, вообще не позволяет проводить количественные исследования.

Кроме того, данное устройство предназначено, прежде всего, для демонстраций по геометрической оптике. Заявленные объекты волновой оптики (две дифракционные решетки и две пластины с воздушным клином) позволяют изучать весьма ограниченный набор волновых явлений. При этом нет возможности исследовать дифракцию на одиночных объектах, дифракцию Френеля, двухщелевую интерференцию и т.п.

Закрепление элементов устройства на вертикальной плоскости с помощью магнитов не позволяет не только проводить какие-либо измерительные процедуры с необходимой точностью, но и повторно воспроизводить результаты демонстраций. Видимость диффузно рассеиваемого лазерного излучения настолько снижается уже после первого элемента схемы (линзы, зеркала, призмы и т.п.), что использовать заявленное устройство можно только в условиях искусственного затемнения.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению является учебно-демонстрационное устройство, включающее набор учебных дифракционных объектов, производимых фирмой Торговый дом "Адида" (г. Москва, ул. Плещеева, 12), информация о котором находится по ссылке в Интернет http://phvsics.nad.ru/Phvsics/Cyrillic/DG10/DG.htm.

Известный набор, приведенный на Фиг. 1, представляет собой тест-объект в виде прозрачной пленки (подложки) прямоугольной формы толщиной 110 микрон с разрешением 4000 точек на дюйм (1 пиксель=6,35 мкм), с расположенными на ней рядами дифракционными решетками. Размеры набора составляют 148×95 мм (каждая решетка 10×10 мм).

Решетки в строках 1, 3, 4 состоят из чередующихся вертикальных щелей. Эти решетки помечены как d/b, где d - период решетки в пикселях, b - ширина каждой щели.

Решетки в строке 2 представляют собой наложение вертикальных и горизонтальных щелей.

Строка 5 состоит из одиночных дифракционных щелей разной ширины, отмеченных внизу в пикселях.

Строка 6 состоит из пары вертикальных щелей, помеченных как 2×b, где b - ширина каждой из щелей в пикселях. Расстояние между всеми парами щелей в этой строке одинаково и равно 50 пикселям.

Строка 7 также состоит из пары вертикальных щелей, помеченных как c, где c - расстояние между щелями в точках. Для этой строки ширина каждой из щелей одинакова и равна 10 пикселям.

Для демонстрации оптических явлений описанный выше тест-объект (пленка с дифракционными решетками) конструктивно должен быть закреплен в оправе, установленной на двухкоординатном столе с возможностью перемещения в вертикальной плоскости. Диапазон перемещений по вертикальной координате обеспечивает позиционирование на оптической оси устройства всех семи строк тест-объекта. Перемещение по горизонтальной координате позволяет вывести на оптическую ось любую решетку в заданной строке. Стол с тест-объектом расположен соосно между держателем лазерного источника излучения и экраном для наблюдения дифракционных распределений.

Известное учебно-демонстрационное устройство имеет ряд недостатков; в частности, состав данного набора оптических дифракционных объектов довольно ограничен, что не позволяет проводить дифракционные исследования пятна Пуассона, изучать оптические свойства зонных пластинок, имитировать дифракцию рентгеновских лучей на кристаллах и т.п.

При этом исследования должны проводиться в затемненном помещении, в результате чего считывание показаний со шкал измерительных устройств оказывается затруднено.

Геометрия основной пластиковой пленки прямоугольная, все оптические структуры расположены в вертикальных и горизонтальных рядах, что не позволяет оперативно и точно сменить один объект на другой без применения специальных дорогостоящих узлов - прецизионного двухкоординатного стола со смещениями в вертикальной плоскости или двухкоординатной системы позиционирования с шаговыми приводами.

Кроме того, использование пленочной технологии, по сравнению с фотолитографией на стекле, хотя и удешевляет изготовление дифракционных объектов, но при этом снижает контрастность структуры (т.е. в процессе демонстрации будет пробиваться паразитная лазерная засветка через «непрозрачные» участки) и увеличивает погрешность изготовления структур (расплывание границ щелей составляет не менее 0.5 мкм по сравнению с 0.1 мкм на стекле).

Изобретение решает задачу создания достаточно простой и удобной в эксплуатации учебно-демонстрационной установки, позволяющей осуществлять исследовательские работы, проводить лабораторные и учебные занятия по максимально широкому кругу вопросов волновой и геометрической оптики в рамках курса физики школьной и вузовской программ.

Техническим результатом от использования заявленного изобретения является расширение функциональных возможностей, повышение удобства эксплуатации установки, повышение точности регулировки положения исследуемого оптического объекта, облегчение юстировки положения излучателей и устройств отображения.

Для достижения указанного технического результата в установке для изучения и демонстрации оптических явлений, содержащей оптическую скамью, на которой закреплены последовательно вдоль оптической оси лазерный излучатель, тест-объект с нанесенными на него дифракционными структурами и экран для наблюдения оптических явлений, причем тест-объект установлен на оптической скамье с помощью юстировочного приспособления, обеспечивающего ему возможность перемещения в вертикальной плоскости, согласно изобретению, тест-объект выполнен в виде плоского круга с радиально-угловым расположением дифракционных структур на нем и установлен в оправе с возможностью поворота относительно своей оси в фиксированные угловые положения для обеспечения точного позиционирования исследуемой дифракционной структуры, лазерный излучатель установлен на цилиндрической опоре с возможностью его поворота в горизонтальной плоскости.

При этом лазерный излучатель укреплен на цилиндрической опоре с помощью двух кольцевых оправ, каждая из которых снабжена тремя радиальными винтами, расположенными под углом 120° друг к другу, а тест-объект выполнен методом фотолитографии на стекле.

Юстировочное приспособление установлено на оптической скамье строго вертикально с возможностью продольного перемещения вдоль нее.

Для случаев необходимости проведения автоматизированных исследований в заявленной установке для изучения оптических явлений в качестве экрана для наблюдения оптических явлений может быть использована цифровая камера, подключенная к исследовательскому компьютеру.

Установка дополнительно может быть снабжена положительной линзой, установленной на опоре между лазерным излучателем и тест-объектом, с фокусным расстоянием, обеспечивающим преобразование плоского волнового фронта в сферический, а также отражательным экраном, установленным в плоскости положительной линзы или в ее фокальной плоскости.

Тест-объект для изучения и демонстрации оптических явлений, содержащий подложку с расположенными на ней рядами дифракционными структурами, согласно изобретению, выполнен в виде плоской круглой пластины с непрозрачным покрытием, а дифракционные структуры нанесены на нее в виде по меньшей мере двух круговых концентрических рядов, в каждом из которых они размещены через равные угловые промежутки, и одна структура расположена в центре тест-объекта.

При этом плоская пластина выполнена из стекла, дифракционные структуры нанесены на нее методом фотолитографии, а покрытие плоской пластины выполнено никелево-хромовым напылением.

Кроме того, дифракционные структуры тест-объекта расположены в виде трех круговых рядов, а в каждом из рядов они размещены через равные угловые промежутки, причем внешний ряд дифракционных структур содержит 36 пар двойных щелей, различных по ширине каждой щели и расстоянию между центрами щелей, средний ряд дифракционных структур включает два отверстия, выполненных в виде прозрачных кругов с расположенными в их центрах непрозрачными дисками, две зонные пластинки (амплитудная и фазовая) и четыре двумерные структуры, имитирующие кристаллические решетки, а внутренний ряд дифракционных структур включает набор из шестнадцати одинарных щелей различной ширины, включая минимально и максимально допустимые.

Кроме того, двумерные структуры, имитирующие кристаллические решетки, выполнены имеющими квадратное, прямоугольное, гексагональное, рандомизированное строение, а параметры двумерных структур выполнены пропорциональными соотношениям между параметрами кристаллических решеток.

Кроме того, в центре плоской пластины дифракционная структура выполнена в виде квадратной сетки из двух ортогональных наборов прозрачных штрихов шириной, соответствующей минимальному пределу, а периоды следования штрихов в обоих наборах выбраны одинаковыми.

Изобретение поясняется чертежами, где на Фиг. 1 представлен набор учебных дифракционных объектов, выбранный в качестве прототипа; на Фиг. 2 - общий вид установки с использованием тест-объекта для варианта с плоским фронтом световой волны и экраном; на Фиг. 3 - то же для варианта с плоским фронтом световой волны и цифровой камерой; на Фиг. 4 - то же для варианта со сферическим фронтом световой волны и отражательным каналом; на Фиг. 5 показан внешний вид тест-объекта; на Фиг. 6 - вид увеличенного участка тест-объекта.

Установка для изучения и демонстрации оптических явлений содержит оптическую скамью 1 с закрепленной на ней цилиндрической (рейтерной) опорой 2, лазерный источник света (излучатель) 3, юстировочное приспособление 4 и экран 5.

Лазерный излучатель 3 укреплен на цилиндрической опоре 2 с помощью двух кольцевых оправ 6. Каждая оправа снабжена тремя радиальными винтами 7, расположенными под углами 120° друг к другу и позволяющими проводить плавную юстировку лазерного луча, выводя его на оптическую ось всей установки.

На юстировочном приспособлении 4, установленном строго вертикально на оптической скамье 1 с возможностью продольного перемещения вдоль нее, расположен тест-объект 8, закрепленный в цилиндрической оправе. Приспособление 4 позволяет производить вертикальное смещение тест-объекта 8 при необходимости смены рабочего ряда фотолитографических прозрачных структур 9, которые нанесены на тест-объект. Крайние позиции вертикального смещения рассчитываются таким образом, чтобы выводить на оптическую ось любые структуры тест-объекта 8, расположенные как в его центре, так и в рабочем ряду максимального внешнего радиуса. Кроме того, юстировочное приспособление 4 обеспечивает вращение тест-объекта 8 вокруг оптической оси с помощью револьверной оправы 10, что позволяет оперативно выбирать нужную структуру из данного рабочего ряда и устанавливать его таким образом, чтобы излучение лазерного источника 3 попадало на выбранную структуру 9.

Искомое распределение лазерного излучения после прохождения структур тест-объекта 8 наблюдается на экране 5. Необходимые измерения проводятся на экране по миллиметровой сетке.

В случае проведения автоматизированных исследований в плоскости экрана 5 устанавливается цифровая камера 11, подключенная к исследовательскому компьютеру 12 (см. фиг. 3). При этом расстояние от тест-объекта 8 до камеры 10 должно быть во столько же раз меньше расстояния от тест-объекта до экрана, во сколько апертура объектива камеры меньше линейного размера экрана для того, чтобы сохранить полную информацию об исследуемой дифракционной картине. В качестве исследовательского компьютера 11 может быть использован любой промышленно выпускаемый компьютер с расширенным объемом оперативной памяти (не ниже 16 Гб), снабженный соответствующим назначению программным обеспечением.

Для проведения исследований с использованием сферического волнового фронта падающего на тест-объект 8 излучения (в частности, при наблюдении дифракции Френеля, пятна Пуассона, определения параметров зонной пластинки и т.п.) дополнительно между лазерным излучателем 3 и тест-объектом 8 устанавливается положительная (собирающая) линза 13 с фокусным расстоянием, например, 12-50 мм, преобразующая плоский волновой фронт в сферический.

Кроме того, для обеспечения наблюдений в отраженном свете может быть применен дополнительный отражательный экран 14, устанавливаемый между лазерным излучателем 3 и тест-объектом 8, например, в фокальной плоскости положительной линзы. В варианте изготовления плоскости положительной линзы 13 и отражательного экрана 14 могут совпадать. Вид установки в этом случае показан на фиг. 4, где положительная (собирающая) линза 13 размещена с помощью цилиндрической оправы в центре квадратного отражательного экрана 14, иллюстрируя наблюдение в отраженном свете.

Наиболее важной частью установки для изучения и демонстрации оптических явлений является тест-объект 8, представляющий собой круглую стеклянную пластину (подложку) с зеркальным непрозрачным никелево-хромовым покрытием и выполненными по фотолитографической технологии дифракционными прозрачными структурами 9. Для обеспечения расширения количества демонстрируемых и изучаемых оптических явлений структуры 9 должны быть нанесены на поверхность тест-объекта 8 в виде по меньшей мере двух круговых концентрических рядов, через равные угловые промежутки, и в центре тест-объекта.

В варианте исполнения, представленном на фиг. 5, эти структуры 9 расположены в трех круговых рабочих рядах (внешнем, среднем и внутреннем) через равные угловые промежутки 10, 45 и 22.5 угловых градуса, соответственно, и одна структура в центре объекта. Радиальное расположение всех структур 9 позволяет оперативно и с достаточной точностью позиционировать ту или иную структуру на оси лазерного излучения. Это достигается размещением тест-объекта 8 в револьверной оправе 10, имеющей фиксированные угловые положения, согласованные с указанными выше градусными промежутками.

Минимальная ширина прозрачных структур 9, таких как щели или диаметр отверстия, составляет 6 мкм, что обусловлено необходимостью 10-кратного превышения длины волны излучения (примерно 0.6 мкм) для обеспечения условий оптического приближения в уравнениях скалярной теории дифракции, расчетные формулы которой используются при проверках результатов практических, лабораторных и демонстрационных работ. Максимальная ширина прозрачных структур 9 (щелей, отверстий) не должна превышать 600 мкм в силу потребности наблюдения результатов дифракции или интерференции в стандартных условиях учебных помещений на расстояниях не более 3-5 метров. Общая площадь каждой структуры не должна превышать 4 мм², что соответствует размеру поперечного сечения одномодового лазера III категории, разрешенного к применению для образовательных целей.

Примененная технология нанесения никелево-хромового покрытия напылением позволяет обеспечить необходимые точность и контрастность структур 9, их бинарный характер и повышенную стойкость. Погрешность воспроизведения размеров структур составляет при этом примерно 0.1 мкм, а десятичный логарифм отношения пропускания прозрачной и непрозрачной частей достигает значений более 4. Первое требование обусловлено методикой расчета доверительных интервалов для величин, определяемых учащимися в ходе исследований, а второе - отсутствием паразитной засветки шкалированного экрана (или дисплея цифровой камеры) лазерным излучением, проникающим через непрозрачные зоны тест-объекта.

Внешний вид тест-объекта 8 представлен на Фиг. 5, а вид его участка в увеличенном масштабе - на Фиг. 6, где показан внешний ряд фотолитографических прозрачных структур 9 (ряд А), который содержит 36 пар двойных щелей, варьируемых по ширине каждой щели (параметр b) и расстоянию между центрами щелей (параметре d). По понятным технологическим причинам расстояние d не может быть меньше удвоенной ширины щели b (т.е. d/b>2). Максимальное отношение d к b не должно превышать 8, что объясняется необходимостью наблюдения не более 8 порядков дифракции в одну сторону в силу энергетических потерь и ограниченного линейного размера экрана. Минимальное абсолютное значение Ь, как уже отмечалось, должно превышать 6 мкм (требование оптического приближения), а максимальное расстояние между щелями не превышает 600 мкм для обеспечения возможности стандартных линейных измерений без применения микроскопов или других увеличительных систем.

Средний круговой ряд (ряд В) структур 9 содержит восемь расположенных по кругу структур, включая два отверстия, выполненных в виде прозрачных кругов с расположенными в их центрах непрозрачными дисками, две зонные пластинки (амплитудная и фазовая) и четыре двумерные структуры, имитирующие кристаллические решетки. Диаметры отверстий выбираются из тех же соображений, что и ширина щелей в ряду А. Диаметры прозрачных кругов должны обеспечивать свободное прохождение лазерного луча без заметного взаимодействия с краем круга. Так, при поперечном сечении лазерного луча в 2 мм диаметры прозрачных кругов должны составлять не менее 5 мм. Диаметры непрозрачных дисков в центре этих кругов определяются, исходя из кривизны сферического волнового фронта, сформированного собирающей линзой 13 по варианту установки, изображенному на фиг. 4. Непрозрачные диски должны обеспечивать перекрытие от 1 до 10 первых френелевских зон, расчетные размеры которых вычисляются на основании известных формул дифракции Френеля в соответствии с длиной волны лазерного излучения, расстоянием между линзой 13 и тест-объектом 8 и между тест-объектом 8 и экраном 14 для наблюдения, а также величиной фокусного расстояния линзы.

Размеры и число переходов (прозрачно-непрозрачно) зонных пластинок выбираются, исходя из тех же расчетов, только число френелевских зон в этом случае должно быть не меньше, а больше 10. Только в этом случае работа зонной пластинки как эффективного фокусатора может быть наглядно продемонстрирована.

Структуры 9 в ряду В, имитирующие кристаллические решетки, предназначены для наблюдения в видимом свете эффектов, обычно наблюдаемых при дифракции рентгеновского излучения на кристаллах. Таким образом, их размеры (диаметры отверстий, расстояния и геометрия их расположения) должны рассчитываться, исходя из пропорционального увеличения размеров реальных атомарных решеток с коэффициентом увеличения, равным отношению длины волны лазерного излучения к длине волны излучения рентгеновского. Так, если длина волны лазера 0.6 мкм, а длина волны рентгена 0.6 ангстрема, то коэффициент получается равным 10⁴. Тогда межатомное расстояние реальной решетки в 4 ангстрема превратится в 4 мкм для искомой фотолитографической структуры. Геометрия расположения отверстий, имитирующих атомы или ионы, диктуется типом решетки - кубической (квадратное расположение), параллелепипедной (прямоугольное расположение) или гексагональной («сотовое» расположение). Последняя структура выполнена рандомизированной (т.е. имеющей случайное расположение одинаковых отверстий на площади 2×2 мм²) для того, чтобы продемонстрировать принципиальное отличие дифракционных распределений на регулярных и нерегулярных структурах.

Ряд С тест-объекта 8 содержит стандартный набор из шестнадцати одинарных щелей шириной b, варьируемой в уже указанных выше пределах от 6 мкм до 600 мкм, что позволяет получать распределения дифрагированного излучения в угловых пределах от 1 до 100 мрад. На расстояниях от тест-объекта 8 до экрана 13 порядка одного метра такие углы соответствуют линейным размерам от 1 мм до 10 см, что позволяет использовать для количественных исследований стандартные измерительные устройства (линейки, шкалы).

В центре тест-объекта 8 выполнена квадратная сетка 15 из двух ортогональных наборов прозрачных штрихов шириной, соответствующей минимальному пределу (а именно, 6 мкм). Периоды следования штрихов d в обоих наборах должны быть одинаковыми и выбираются из того условия, чтобы веер лучей, на который вследствие дифракции разделится единый лазерный луч после прохождения этой сетки, заполнял собой всю угловую апертуру установки. Например, если требуется вписать этот веер в телесный угол φ, то период следования штрихов d рассчитается из формулы d·sinφ=k/2 (длина волны), где k - полное число лучей, которое желательно получить по каждой из двух координат. Общее число лучей при этом составит k²+1 (т.к. один центральный луч имеет индекс ноль). Общее число штрихов N в каждом ортогональном наборе - не менее 100 для сохранения мощности сепаратных лучей на фоне естественной засветки. Площадь центральной заштрихованной части определяется путем возведения в квадрат длины L, получаемой путем перемножения периода следования штрихов на их общее число по одной координате. Например, при b=20 мкм и N=100 получаем L=2 мм, что примерно соответствует стандартному диаметру поперечного сечения лазерного луча с длиной волны 0.6 мкм. При этом число к достигает 6, а полное число лучей - 6×6+1=37.

Установка для изучения и демонстрации оптических явлений работает следующим образом.

Для наблюдения дифракции или интерференции используется излучение гелий-неоновых или полупроводниковых лазеров III категории любого типа с диаметром пучка не более 2 мм без дополнительного пространственного преобразования. В случае необходимости уменьшения интенсивности лазерного излучения перед тест-объектом 8 устанавливают линейный поляризатор, осевым вращением которого выбирают наиболее комфортную освещенность исследуемой картины. Параметры структур 9 рассчитаны таким образом, чтобы проводить исследования при естественном освещении на расстояниях от тест-объекта до плоскости наблюдения менее или порядка 1 м. При этом линейный размер любой дифракционной или интерференционной картины будет не менее 2 см, но не более 20 см, что обеспечивает применение стандартных измерительных возможностей (миллиметровые линейки, легко воспроизводимые шкалы и т.п.). Исследуемые распределения интенсивности могут наблюдаться в прошедшем или отраженном свете визуально либо через любые оптические системы переноса или передачи изображений.

При использовании двумерных регулярных структур 9, имитирующих кристаллические решетки, на снабженном миллиметровыми сетками экране или в поле зрения цифровой камеры за счет дифракции видимого лазерного излучения возникают картины, аналогичные распределениям интенсивности рентгеновских лучей, прошедших или отраженных от кристаллических объектов. Это достигается за счет пропорционального масштабирования размеров этих структур по отношению к реальным кристаллам с коэффициентом увеличения, равным отношению длин волн видимого и рентгеновского излучения. Наблюдаемые «псевдо-рентгеновские» распределения позволяют по известным методикам решить обратную задачу исследования - рассчитать параметры структур (диаметры отверстий и геометрию их взаимных расположений), аналогичные диаметрам ионных радиусов и периодам кристаллических решеток. Для верификации результатов таких имитационных исследований дополнительно структуры могут быть помещены в поле зрения измерительного микроскопа, и учащиеся могут самостоятельно убедиться в правильности или ошибочности своих выводов.

При использовании центральной сетки 15 тест-объекта 8 осевой лазерный луч разворачивается в симметричный веер из 37 сепаратных лучей (один центральный и 36 наклонных), заполняющий апертуры последующих элементов оптической схемы. Это позволяет просто и наглядно проследить и количественно измерить трансформации лучей при прохождении через любые системы геометрической оптики, в том числе с демонстрацией таких трудно наблюдаемых явлений, как различные типы аберраций оптической системы (кома, дисторсия, сферическая аберрация, кривизна поля зрения и т.п.).

Таким образом, по сравнению с установками-аналогами и прототипом заявленное изобретение обеспечивает следующие преимущества:

Более удобная, простая и надежная система позиционирования исследуемой фотолитографической структуры относительно лазерного пучка, которая обеспечивается радиально-угловым расположением структур на пластине тест-объекта и наличием вертикального юстировочного приспособления с возможностью осевого поворота оправы тест-объекта.

Более широкий спектр исследуемых оптических явлений, позволяющий изучать эффекты дифракции и интерференции не только на стандартных структурах (щели, круглые отверстия, решетки) «на пропускание», но и ранее недоступные для количественного анализа результаты дифракции Френеля на непрозрачных дисках (т.н. пятно Пуассона) и оптические свойства зонных пластинок в двух режимах - «на пропускание» и «на отражение», что обеспечивается наличием соответствующих фотолитографических структур во втором рабочем ряду В тест-объекта: двух непрозрачных дисков в центрах прозрачных кругов, диаметр которых превосходит поперечное сечение лазерного пучка, и двух зонных пластинок (амплитудной и фазовой).

Для обеспечения необходимой кривизны волнового фронта (сферической расходящейся волны) лазерного излучения установка снабжена дополнительной опорой с укрепленной на ней оправой положительной (собирающей) линзы заданного фокуса. На этой же опоре располагается второй, отражательный, экран для наблюдения интерференции и дифракции «на отражение».

Возможность имитирования эффектов дифракции рентгеновских лучей на кристаллах путем пропорционального переноса этих эффектов из рентгеновского в видимый диапазон, что обеспечивается наличием 4-х имитирующих кристаллы фотолитографических структур (квадратной, прямоугольной, гексагональной, рандомизированной), а также расчетом параметров этих структур (диаметров отверстий и расстояний между ними), сохраняющим все соотношения между ионными радиусами узлов кристаллических решеток и их периодами. Фактические размеры кристаллических структур в ангстремах заменяются на размеры фотолитографических структур в микрометрах (коэффициент масштабирования 104).

Размещение лазерного источника на цилиндрической опоре (рейтере) с возможностью поворота в горизонтальной плоскости обеспечивает имитацию изменения угла падения рентгеновских лучей относительно кристаллографических плоскостей кристалла.

Возможность применения «веера» лазерных лучей (в данном случае - 37-ми сепаратных лучей) для визуализации формы трехмерных пучков, проходящих через те или иные элементы оптической схемы (линзы, зеркала и т.п.) позволяет проводить наглядные исследования по геометрической оптике не в «плоском» двумерном варианте, а в реальном трехмерном.

Изобретение относится к области обучающих устройств, предназначенных для проведения школьных исследовательских работ, лабораторных занятий и учебных демонстраций по геометрической и волновой оптике в рамках расширенного курса физики.

На оптической скамье закреплены последовательно вдоль оптической оси лазерный излучатель, тест-объект с нанесенными на него дифракционными структурами и экран для наблюдения оптических явлений. Тест-объект установлен на оптической скамье с помощью юстировочного приспособления, обеспечивающего ему возможность перемещения в вертикальной плоскости. Лазерный излучатель установлен на цилиндрической опоре с возможностью его поворота в горизонтальной плоскости. Тест-объект выполнен в виде плоского круга с радиально-угловым расположением дифракционных структур на нем и установлен в оправе с возможностью поворота относительно оптической оси для обеспечения позиционирования исследуемой дифракционной структуры. Тест-объект содержит подложку с расположенными на ней рядами дифракционными структурами и может быть выполнен в виде плоской круглой пластины из стекла с непрозрачным покрытием. Дифракционные структуры нанесены на пластину методом фотолитографии в виде по меньшей мере двух круговых концентрических рядов и одна в центре. Технический результат - расширение функциональных возможностей, повышение удобства эксплуатации установки, повышение точности регулировки положения исследуемого оптического объекта, облегчение юстировки положения излучателей и устройств отображения. 2 н. и 15 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Учебно-демонстрационная установка для изучения оптических явлений, содержащая оптическую скамью, на которой закреплены последовательно вдоль оптической оси лазерный излучатель, тест-объект с нанесенными на него дифракционными структурами и экран для наблюдения оптических явлений, причем тест-объект установлен на оптической скамье с помощью юстировочного приспособления, обеспечивающего ему возможность перемещения в вертикальной плоскости, отличающаяся тем, что тест-объект выполнен в виде плоского круга с радиально-угловым расположением дифракционных структур на нем и установлен в оправе с возможностью поворота относительно своей оси в фиксированные угловые положения для обеспечения точного позиционирования исследуемой дифракционной структуры, а лазерный излучатель установлен на цилиндрической опоре с возможностью его поворота в горизонтальной плоскости.

2. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что лазерный излучатель укреплен на цилиндрической опоре с помощью двух кольцевых оправ, каждая из которых снабжена тремя радиальными винтами, расположенными под углом 120° друг к другу.

3. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что тест-объект выполнен методом фотолитографии на стекле.

4. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что юстировочное приспособление установлено на оптической скамье строго вертикально с возможностью продольного перемещения вдоль нее.

5. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве экрана для наблюдения оптических явлений использована цифровая камера, подключенная к исследовательскому компьютеру.

6. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что она дополнительно снабжена положительной линзой, установленной на опоре между лазерным излучателем и тест-объектом, с фокусным расстоянием, обеспечивающим преобразование плоского волнового фронта в сферический.

7. Установка по п. 6, отличающаяся тем, что она дополнительно снабжена отражательным экраном, установленным в плоскости положительной линзы или в ее фокальной плоскости.

8. Тест-объект для изучения и демонстрации оптических явлений, содержащий подложку с расположенными на ней рядами дифракционными структурами, отличающийся тем, что он выполнен в виде плоской круглой пластины с непрозрачным покрытием, а дифракционные структуры нанесены на нее в виде по меньшей мере двух круговых концентрических рядов, в каждом из которых они размещены через равные угловые промежутки, и одна структура расположена в центре тест-объекта.

9. Тест-объект по п. 8, отличающийся тем, что плоская пластина выполнена из стекла, а дифракционные структуры нанесены на нее методом фотолитографии.

10. Тест-объект по п. 8, отличающийся тем, что покрытие плоской пластины выполнено никелево-хромовым напылением.

11. Тест-объект по п. 8, отличающийся тем, что дифракционные структуры расположены в виде трех круговых рядов.

12. Тест-объект по п. 11, отличающийся тем, что внешний ряд дифракционных структур содержит 36 пар двойных щелей, различных по ширине каждой щели и расстоянию между центрами щелей.

13. Тест-объект по п. 11, отличающийся тем, что средний ряд дифракционных структур включает два отверстия, выполненных в виде прозрачных кругов с расположенными в их центрах непрозрачными дисками, две зонные пластинки (амплитудная и фазовая) и четыре двумерные структуры, имитирующие кристаллические решетки.

14. Тест-объект по п. 13, отличающийся тем, что двумерные структуры, имитирующие кристаллические решетки, выполнены имеющими квадратное, прямоугольное, гексагональное, рандомизированное строение.

15. Тест-объект по п. 14, отличающийся тем, что параметры двумерных структур выполнены пропорциональными соотношениям между параметрами кристаллических решеток.

16. Тест-объект по п. 11, отличающийся тем, что внутренний ряд дифракционных структур включает набор из шестнадцати одинарных щелей различной ширины, включая минимально и максимально допустимые.

17. Тест-объект по п. 8, отличающийся тем, что в центре плоской пластины дифракционная структура выполнена в виде квадратной сетки из двух ортогональных наборов прозрачных штрихов шириной, соответствующей минимальному пределу, а периоды следования штрихов в обоих наборах выбраны одинаковыми.