Устройство для демонстрации явлений интерференции и дифракции света Советский патент 1991 года по МПК G09B23/22 

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.

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 объектив 2, служащий для формирования пучка света в фокальной плоскости 3 объектива 2, диффузионный рассе- иватель 4 (например, матовое стекло), служащий для создания диффузио рассеянного света на экране 5, который отображает демонстрируемое явление 6, объемная бипризма Френеля 7, блок 8 считывания информации, предназначенный для считывания

о

hO

ю

00

о VI

сигналов интенсивности с экрана 5 фотодатчиком 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 амплитуды и фа- - зы 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 обь- екта когерентным излучением. Изменение толщины отражательной, поглощательной способности и коэффициента преломления приводит к модуляции 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, 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 суперпозиции дифракционных картин от большего числа малых, статистических беспорядочно расположенных отверстий, игра- ющих роль когерентных источников света. Размер области когерентности (т.е. размер пятна) в каком-либо направлении оказывается обратно пропорционален размеру источника в этом направлении. Степень

когерентности и размер области когерентности, определяемые радиусом пространственной когерентности, являются усредненными характеристиками светового

поля, полученными в результате статистического усреднения фаз. Поэтому среднее зерно пятна и есть область когерентности, а его средний размер - размер области когерентности.

В случае двух диффузных источников, которые можно создать путем помещения бипризмы Френеля, пятна модулируются интерференционными полосами, шириной

.

где Я - длина волны источника света;

L - расстояние от матового стекла до экрана;

I - расстояние между двумя источниками диффузного света.

В пределах пятен фазы постоянны, однако непостоянная разность фаз: она меняется при изменении разности кода внутри пятна. Таким образом, внутри пятна наблюдаются полосы Юнга с расстоянием между

ними, равным A L/I. 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 рассеи- ватель 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 ЭВМ и дальнейший вывод на проекци- онный 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 осве- щенной области зависят от типа применяемой оптики и- расстояния от фокальной плоскости объектива до диффузионного рассеивателя 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 рассеивателя 4 размер освещенной области, т.е. размер источника, изменяется от величины, равной диаметру лазерного пучка в перетяжке 1 мкм, диффузионный рассеиватель А 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 6 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 цилиндрического обьектива 2 позволяет получить источник света в виде узкой щели, ориентацию которой можно изменять путем вращения цилиндрического 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 6. Подав временной интервал перемещения фотодатчика, задают время перемещения блока 8 считывания от гонки к точке, равным ,1 с, вдоль горизонтальной оси и снимают уровень интенсивности демонстрируемого явления 6 по точкам, количество которых задается заранее и равно 2 1024 точкам. Сигналы обеспечивают формирование цветного R, G В изображения телевизионного устройства, входящего в состав блока обработки сигналов. При выдаче очередного сигнала интенсивности на экран блок 8 считывания перемещается в новое положение, и через интервал времени ,1 с считывается новый уровень интенсивности l(k) который выдается на экран, и так до тех пор, пока не будет пройден весь экран. Зная длину волны Я , расстояние L до экрана, на проекционном экране строится также заранее рассчитанная картина по теореме Ван-Циттерта-Цернике. В

результате на проекционном экране 11 формируются заранее рассчитанное явление 12 и непосредственно снятое с демонстрируемого явления 6. Явления отображаются на 5 проекционном экране 11 в разных цветах, что позволяет легко сравнить зависимость ширины пространственного спектра источника от его линейных размеров, а также зависимость размеров области когерентно 10 сги от размеров источника и расстоянгй до экрана 5.

Для наблюдения интерференции вдиф- фузно рассеянном свете перед коротксфокусным обьективом 2 устанавливается 15 бипризма Френеля 7, в этом случае лазерный луч разбивается на два пучка с углом расхождения, равным

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

0п - ее показатель преломления.

В результате обьективом 2 в плоскости диффузионного рассеивания 4 формируется два источника диффузного света, расстояние между которыми I t f, что соответствует

5 опыту Юнга, а перемещая диффузионный рассеиватель А, подбирают размер области когерентности, при котором внутри зерен укладывается несколько интерференционных полос При этом отмечается отсутствие

0 корреляции между интерференционными полосами в разных пятнах, а также широкая область локализации полос, соответствующих Юнге.

Таким образом, устройство позволяет

5 наглядно показать зависимость ширины пространственного спектра источника от его линейных размеров, степень когерентности, область когерентности, интерференции в диффузно рассеянном свете и

0 добиться максимальной контрастности полос в опыте Юнга, области локализации интерференционных полос и так далее, что расширяет демонстрационные возможности применения устройства. Демонстраци5 онная наглядность устройства повышена за счет одновременного показа явлений интерференции полностью и частично когерентного источников.

Формула изобретения

01. Устройство для демонстрации явлений

интерференции и дифракции спета, содержащее последовательно расположенные когерентный источник света, бипризму Френеля, преобразующий оптический эле5 мент, экран, блок считывания и обработки оптической информации, отличающее- с я тем. что, с целью расширения демонстрационных возможностей и повышения демонстрационной наглядности за счет

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 фокальной зоне короткофокусного объектива. 2. Устройство по п. 1, отличающее- с я тем, что, с целью демонстрации статических явлений интерференции и дифракции, короткофокусный объектив и бипризма Френеля выполнены съемными.

Изобретение относится к средствам обучения, в частности к учебным приборам по физике, и может быть использовано в ряде лекционных наглядных экспериментов, таких 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 и т.п. Целью изобретения является расширение демонстрационных возможностей и повышение демонстрационной наглядности устройства за 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 съемными. 1 з.п. ф-лы. 2 ил. (/)

/

X /

Фиг.2

Фиг.1

-П