Учебный прибор по оптике Советский патент 1989 года по МПК G09B23/22 

1

Изобретение относится к учебным приборам по оптике и может быть использовано при изучении интерференции света.

Цель изобретения - расширение демонстрационных возможностей, в частности демонстрация спектральных свойств интерферометра

На фиг. 1 изображена схема возникновения интерферирующих лучей в пластинке в проходящем свете; на фиг. 2 - пластинка в оправе; на фиг. 3 - разрез А-А на фиг. 2; на фиг. 4 - схема установки прибора на оптической скамье.

Прибор содержит осветитель 1 с ртутной лампой, конденсор 2, объ- ектив 3, поляроид-поляризатор 4 и сменный светофильтр 5 для выделения желтых спектральных линий. Слюдяная пластинка 6 расположена перед экраном 7 и имеет на каждой поверхности полупрозрачное металлическое покрытие. Наиболее оптимальные характеристики для пластинки - коэффициент отражения ,7, коэффициент пропускания Ј S 0,2, коэффициент поглощения А 0,1. Прозрачность пластинки в максимумах порядка 0,44.

Пластинка закреплена в поворотной оправе с возможностью поворота вокруг двух взаимно перпендикулярных

осей.

Использование в учебном приборе со слюдяной пластинкой высокоотражающих полупрозрачных покрытий и переход к многолучевой интерференции в проходящих лучах решает следующие задачи. Обеспечение существенного сужения интерференционных полос в формируемой прибором картине позволяет использовать учебный прибор как

Ј 00

00 4

оо

рефрактометрический и спектральный прибор и осуществить ряд важных но вых демонстраций.

Число интерферирующих пучков, формируемых учебным прибором в проходящих лучах, зависит от коэффициента отражения р поверхностей слюдяной пластинки. При указанном значении

р 0,7 эффективное число интерферирующих лучей N,e /(1 - р) (илн, что то же, фактор резкости F, равный по определению отношению расстояния между соседними интерферен циоиными полосами к ширине одной, полосы) и составляет Ne 9„ Сужение полос при этом оказывается вполне достаточным, чтобы при правильно подобранной толщине t слюдяной пластинки демонстрировать следующие явления о

Наличие двойного лучепреломления в слюдз.

дящих через плоскопараплельную пластинку лучах

2t -Jn2 - sin2 , (1)

где t - толщина пластинки;

п - ее показатель преломления; i - угол падения лучей на плас- тинку;

о h - прирост разности хода, обусловленный суммарным скачком фаз при двух последовательных внутренних отражениях от поверхностей пластинки; К - порядок интерференции; ft - длина световой волны.

Возводя обе части (1) в квадрат, имеют

П2 -8inUe bLf.

(2)

Изобретение относится к учебным приборам по оптике. Цель изобретения - повышение демонстрационных возможностей посредством наблюдения явления в проходящих лучах плоскополяризованного монохроматического света. Прибор содержит установленные на оптической скамье ртутную лампу в качестве источника света, однородную пластинку прозрачной слюды в качестве интерферирующего элемента и экран. Новое в приборе состоит в том, что слюдяная пластинка имеет на обеих своих поверхностях высокоотражающие полупрозрачные покрытия и наблюдение интерференционной картины производится в проходящих лучах. При этом пучок света от ртутной лампы фокусируется на поверхности слюдяной пластинки при помощи конденсора и объектива и в световой пучок вводятся поляроид-поляризатор и сменные светофильтры. 2 з.п.ф-лы. 4 ил.

Пусть на слюдяную пластинку пада- ет монохроматический пучок плоскопо- ляризованного света при диагональной ориентации вектора колебаний„ В силу двойного лучепреломления в пластинке световой пучок делится на два плоскополяризованных пучка одинаковой интенсивности с колебаниями во вза имно-перпендикулярных плоскостях. Показатели преломления слюды для этих колебаний п, и п2 различны. При нормальном расположении пластинки каждой из пучков формирует свою систему интерференционных полос в виде семейства почти правильных колец. Возрастание радиусов колец гк сопро вождается уменьшением порядка интерференции К) . В этой картине каждому порядку К соответствует два кольца, причем в средней части картины кольца разных систем не пересекаются. Отчетливо видимая в этой части картины система двойных колец иллюстрирует двойное лучепреломление в слюде. Более того, по величине различия радиусов смежных колец Ог,, гц

- г можно оценить величину В . ПоК, о п

ворот поляроида на чо по часовой стрелке или против нее подавляет одну или другую систему колец, что рще более подчеркивает природу наблюдаемого явления. Зависимость между 8 и 8Г можно получить, исходя из известного условия формирования светлых интерференционных полос в ирохо™

При переходе от одного колец к другому имеют К const, поэтому изменение лено только изменением п. руя (2), получают

п §п sinicosi S1; . Из чертежа видно, что 6 г со si Ofi

cos2

ff; .

L/cosi L

Учитывая, что

sini tgi-cosi - -c

Lt

имеют

On rK.Јr Cos i/L2n .

Так как rK«L, можно ваться приближением

cos4 (1 - sinsi)2 (1 - r2 /L1)2 Ј 1 - 2r2

8B. M

L2n

rkun

(3)

55

или &Гк(В,Л ТГП 2rl )LV Sn.

Расстояние u г между полосами соседних К и (К-1J порядков ( Л К -1)

нетрудно найти из (1). Для упрощения выкладок пользуются приближением

2t

-J п sin2 2t,

- sin2i/n 2tn(1 - sin2/2n2)

-- 2tn - t sin2i/n 2tn - t-tg2i/n

2tn - tr /nL2.

После подстановки (5) в (1J получают 2t-n - trzK /nL2 + Јu К.-Л. (6)

Дифференцируя (6) по К при уело- вии, что 2tn const и$д const и заменяя drK на & гк и dK на ЬК -1, имеют

Ы

frL2n 2rKt

Условие хорошей видимости эффекта двойного лучепреломления на фоне интерференционной структуры картины можно записать так:

,,

Тогда на основании (4) и (7) получают30- - (1 - 2rЈ /L2)

L « р.

З&п

(9)

Для 0,5461 мкм, гк 0,3 м, L 1 м, „ 4,2 -10 имеют t Ј 35 мкм. Этот результат и определяет оптимальную толщину слюдяной пластинки.

Наличие у прибора со слюдяной пластинкой свойств спектрального

прибора. 1

Пусть на слюдяную пластинку падает свет ртутной лампы, монохромати- зированный светофильтром ъ,, выделиющим излучение зеленой ртутной линии ( ft, 5461 А). Пусть поляроид П ориентирован при этом так, что двойное лучепреломление отсутствует, т.е. формируется только одна система колец. Если теперь светофильтр Ф заме- нить светофильтром Ф выделяющим0 излучение желтых линий V 5770 А и Vi. 5791 А (8 21 А), то возникает картина в виде семейства двойных концентрических колец. В условиях опыта, когда двойное лучепреломление отсутствует, наблюдаемое явление может быть объяснено только как результат наличия в исслеДуемом излу

10

ют

15 1,

а

20

25

чении двух близких спектральных линий. Интерферометр пространственно разделяет эти линии, т.е. обладает свойствами спектрального прибора с соответствующей угловой дисперсией и разрешающей способностью. Причем и тя ii другая величины значительно превосходят соответствующие параметры демонстрационного спектроскопа со спектральной призмой. Величину i ft можно связать с par то- янием между смежными кольцами 8г(, т.е. выполнить спектроско™ пические оценки явления. С этой цепью пользую гя соотношением (6). При отсутствии двойного лучепреломления можно пренебречь дисперсией показателя преломления слюды и положить п const. Кроме того, по смыслу задачи можно положить К const и Од const. Тогда после дифференцирования (6) по и замены dr на8г ()

и d A на Ј получают

л /ON nL2K гх

6Г. (Ц) пгг-т: О,

2t.

(Ю)

30

Величину К оценивают из (1) при i 0, и &u 2tn/7v . Ноэтоьу (10)

прини 5ает вид

5г„С) i 5л.

А

(Ш

Хорошей видимости эффекта соответствует, как и выше, равенство (8) или иначе

(12)

$rv (S oi) гк(п )

Исходя из (12) и учитывая (И) и (4), получают выражение для оценки оп ьзчальной величины 0/ в виде

n/n(1 - 2r2 /L2) (13)

Для Ъ 5780 А, п 4,2-10 ,о п 1,59, r 0,3L имеют $ 19 А.

Достоинства учебного прибора со слюдяной пластинкой в плане устранения громоздкости сводится к следующим четырем моментам. Изменение условий интерференции позволяет расположить осветитель вне области перекрывания интерферирующих пучков, поэтому форма и размеры осветителя не играют никакой роли. По той же причине между осветителем и интерферометром можно с удобством расположить детали оптической схемы, расширяющие круг наблюдаемых явлений, та-

кие как поляроид-поляризатор и сменные светофильтры. При освещении интерферометра можно воспользоваться фокусирующей системой - конденсорной линзой в сочетании с объективом, и посредством такой системы сфокусировать первичный световой пучок на малой части поверхности слюдяной пластинки. Это смягчает требования к пластинке в плане ее плоскопараллель- ности и однородности, которые теперь распространяются только на небольшую освещенную часть поверхности пластинки. Наблюдение картины как при нор- мальном так и при наклонном расположениях учебного интерферометра осу ществляется по одной и той же схеме. Йри этом поворот слюдяной пластинки не меняет положения картины и не тре- бует поэтому перемещения экрана, что позволяет демонстрировать явление в широком диапазоне углов падения первичного пучка на интерферометр и наблюдать в динамике влияние накло- на слюдяной пластинки на ход полос.

Увеличение светосильности учебного интерферометра со слюдяной пластинкой обусловлено следующей причиной: при указанных параметрах высокоотра- жающих полупрозрачных покрытий (р 0,7, А 0,1, Ъ ) прозрачность интерферометра в максимумах составляет около 0,44. Это значит, что интенсивность светового пучка

в области интерференционных максимумов 1макс , что и обусловливает заметное (в 2,2 раза) возрастание освещенности светлых полос картины при использовании той же освещающей системы.

Формула изобретения

с целью расширения демонстрационных возможностей, пластинка выполнена с отражающим полупрозрачным покрытием на обеих поверхностях, а между осветителем и пластинкой установлен конденсор .

Фиг. 2

Фиг. Ь