Учебный прибор по оптике Советский патент 1992 года по МПК G09B23/22 

Изобретение относится к учебно-наглядным пособиям по физике и предназначено для получения и демонстрации протяженной и яркой картины интерференции в поляризованных лучах немонохроматического (белого) света от кристаллооптической системы, выпиленной параллельно оптической оси.

Известен учебный прибор для демонстрации изохроматических полос от толстой (толщиной в несколько мм) кристаллической пластинки, выпиленной параллельно оптической оси, принятый за прототип. Это устройство включает монохроматический источник света, конденсатор и фокусирующую линзу, поляризатор, толстую кристаллическую пластинку, выпиленную параллельно оптической оси из одного кристалла (например, из исландского шпата), анализатор, систему проектирующих линз и экран наблюдения. Достоинством прототипа является возможность получения протяженной интерференционной картины в виде семейства изохроматических полос гиперболической формы. Вместе с тем, можно отметить следующие существенные недостатки прототипа. К освещающему источнику предъявляются очень жесткие требования в плане его монохроматичности, что связано с необходимостью достижения высокой степени временной когерентности перекрывающихся пучков, имеющих сравнительно большую разность хода. По этой причине в качестве источника света в прототипе используется газоразрядная лампа (например, натриевая или ртутная), излучающая отдельные спектральные линии, на одной из которых и ведется наблюдение картины, а остальные устраняются посредством подходящего светофильтра. Это обстоятельство существенно снижает светосильность устройства и делает малоVJ

00

Ј

Јь

эффективным его использование в условиях большого помещения. Сравнительно большое в случае толстой пластинки поперечное смещение обыкновенного и необыкновенного пучков приводит к тому, что для достижения достаточно высокой степени пространственной когерентности перекрывающихся пучков необходимо либо резко уменьшить поперечные размеры освещающего источника, что уменьшает светосильность бистетиы и усложняет осветительную часть прибора введением диафрагмы и дополнительной оптики, либо необходимо проводить наблюдение картины в фокальной плоскости вспомогательного объектива или отобразить эту плоскость на экран наблюдения, что требует введения в прибор дополнительной проектирующей оптики, загромождая прибор и делая его менее свободным. Существенный недостаток прототипа в дидактическом плане связан с трудностями в объяснении наблюдаемого хода полос картины, ее геометрии, а стало быть и природы явления без привлечения достаточно громоздких расчетов.

Все эти недостатки полнЪЪтью устране- ны в предлагаемом ниже учебном приборе по оптике. Прибор пoзвoляef ffoTTy Pftb и наблюдать высококонтрастную протяженную и яркую интерференционную картину в белом свете без монохроматизации светового пучка, без уменьшения размеров освещающего источника и без использования проектирующей оптики. Таким образом, учебный прибор по оптике отличается высокой све- тосильностью, сочетающейся с простотой конструкции. Вместе с тем, осуществленный в учебном приборе по оптике переход от наблюдения изохромат высоких порядков к наблюдению изохромат самых первых порядков (К О, 1, 2, 3 ...) позволяет дать простую и ясную интерпретацию явления и геометрии картины на основе соображений симметрии, что обуславливает дидактические достоинства учебного прибора по оптике.

Целью изобретения является повышение наглядности путем увеличения степени временной когерентности перекрывающихся пучков без монохроматизации первичного светового пучка.

Существенное конструктивное отличие учебного прибора по оптике от прототипа состоит в том, что вместо одной кристаллической пластинки, выпиленной параллельно оптической оси, в нем используют две пластинки, идентичные по своим размерам и геометрии, закрепленные в оправе так, что каждую из пластинок можно поворачивать в своей плоскости по часовой стрелке или против нее на нужный угол.

Условия расщепления первичного светового пучка в такой системе существенно

разливаются в зависимости от взаимной ориентации оптических осей пластинок. При параллельной ориентации, которую можно назвать некомпенсациоиной, система вполне эквивалентна одной цельной пла0 стинке удвоенной толщины. При повороте одной из пластинок в своей плоскости на 90° (имеется в виду, что исходное расположение пластинок является диагональным и угол между направлением поляризатора

5 и направлением оптической оси пластинок ) и переходе к компенсационному расположению, при котором оптические оси пластинок ориентированы взаимно перпендикулярно, условия расщепления корен0 ным образом изменяются.

Уменьшение разности хода и образование системы полос самых первых порядков интерференции (К 0,1,2,3,...) обеспечивает достижение высокой степени временной

5 когерентности перекрывающихся пучков в немонохроматическом и даже - в белом свете. Возможность осуществления опыта в белом свете позволяет, во-первых, упростить прибор за счет использования в качестве

0 источника света дешевой малогабаритной кинопроекционной лампы накаливания вместо громоздкого маломощного газоразрядного источника линейчатого спектра. Во-вторых, наблюдение картины в белом

5 свете обеспечивает возможность выделения и установления хода нулевой полосы в силу ее ахроматичности. При параллельной ориентации поляризатора и анализатора и диагональном расположении кристалличе0 ских пластин нулевая полоса оказывается неокрашенной (белой), а при повороте анализатора (или поляризатора) на 90° она становится бархатно-черной. Имея в поле зрения в качестве начала отсчета выделя5 ющуюся по своему виду нулевую полосу, можно непосредственно прямым счетом определить порядок интерференции (число К) любой полосы. В-третьих, наблюдение яркой и красочной картины в белом свете су0 щественно увеличивает эмоциональность демонстрации. Уменьшение поперечного смещения лучей, возникающих при двойном лучепреломлении в кристаллооптиче- ской системе обуславливает возможность

5 достижения высокой степени пространственной когерентности перекрывающихся пучков при полном устранении фокусирующей оптики на выходе из прибора, что приводит к существенному упрощению конструкции прибора. При этом интерференционная картина оказывается локализованной во всем окружающем пространстве и контрастная система изохромат формируется при любом удалении экрана наблюдения, что увеличивает, так сказать, степени свободы прибора. Формирование картины с простирающейся через все поле зрения нулевой полосой существенно упрощает выяснение природы явления.

На чертеже показан прибор.

Прибор содержит осветитель, состоящий из маломощной лампы накаливания и проектирующего конденсора, поляризационный узел, состоящий из поляроида-поляризатора, двух кристаллических пластинок и поляроида-анализатора, и экран наблюдения, Осветитель и поляризационная система закреплены на общем основании. Детали поляризационной системы закреплены в оправе, имеющей вид полого полуци- линдра с пазами, в которые открыто вложены закрепленные в круглых оправках светофильтр (оранжевое или светло-красное стекло), поляроид-поляризатор, две кристаллические пластинки и поляроид- анализатор. Детали поляризационной системы имеют указатели соответствующих направлений: кристаллические пластинки - указатели направления оптической оси, а поляроиды-указатели направлений пропускания. На чертеже дан общий вид учебного прибора по оптике. Здесь 1 - пластина-основание, на которой крепится осветитель и поляризационная система; 2 - выдвижной патрон осветителя с лампой 8 В, 20 Вт; 3 - кожух осветителя; 4 - объектив; 5 - светофильтр (оранжевое или светло-красное стекло); 6 - поляроид-поляризатор; 7 - первая кристаллическая пластинка; 8 - вторая кристаллическая пластинка; 9 - поляроид- анализатор; 10 - оправа для деталей поляризационной системы.

Опыт осуществляют следующим образом.

Указатели поляроидов ориентируют вертикально, а указатели обеих кристаллических пластинок поворачивают на 45° Б одну и ту же сторону. В этом некомпенсационном расположении система из двух параллельно ориентированных пластинок эквивалентная одной цельной пластинке удвоенной толщины. В нашем приборе используются идентичные плоскопараллельные пластинки исландского шпата, выпиленные параллельно оптической оси. Пластинки отработаны на плоскопарал- лельность до 2 мкм.

При освещении прибора немонохроматическим (белым) светом интерференционная картина не формируется. В ходе опыта демонстрируют, что при параллельной ори-. 5 ентации пластинок область перекрывания световых пучков имеет равномерную освещенность. Отсутствие интерференционной картины на экране наблюдение обусловлено отсутствием временной и пространст0 венной когерентности перекрывающихся пучков. Затем поворачивают указатель одной из кристаллических пластинок на 90° в своей плоскости до симметричной его ориентации под углом -45° к направлению поля5 ризатора,т.е. переходятккомпенсационному расположению.. При этом резко уменьшаются разность хода и смещения лучей, возникающих при двойном лучепреломлении в кристаллооптической системе и возрастает

0 степень временной и пространственной когерентности перекрывающихся пучков, что и обуславливает появление в белом свете контрастной интерференционной картины в виде яркой и красочной системы изохромат

5 гиперболической формы с центральным ахроматическим белым нулевым крестом. При повороте анализатора на 90° система полос смещается на полполосы, происходит обращение картины и белый нулевой крест пре0 вращается в бархатно-черный, а окраска изохромат изменяется на дополнительную. Опыт отличается высокой эмоциональностью и большой наглядностью. При введении светофильтра 5 картину наблюдают в

5 оранжевом или красном свете. Прибор прост по конструкции, надежен в употреблении и безотказен. Прибор с успехом может быть использован в преподавании курса физики (оптики) в технических вузах,

0 пединститутах и университетах.

Формула изобретения Учебный прибор по оптике, состоящий из источника света, собирающей линзы,

5 толстой плоскопараллельной двоякопре- ломляющей пластины, выполненной из одноосного кристалла параллельно оптической оси, двух поляроидов и экрана наблюдения, отличающийся тем, что, с целью

0 повышения наглядности путем увеличения степени временной когерентности перекрывающих пучков без монохроматизации первичного светового пучка, он имеет дополнительную кристаллическую пластину,

5 идентичную первой и расположенную вслед за ней с возможностью поворота в своей плоскости.

Сущность изобретения: прибор содержит источник света, собирающую линзу, по- ляризационную часть, состоящую из поляроида-поляризатора, толстой плоскопараллельной пластинки, выпиленной из одноосного кристалла параллельно оптической оси поляроида-анализатора, и экран наблюдения. Новое в приборе состоит в том, что он имеет вторую кристаллическую пластинку, идентичную первой, расположенную вслед за первой, поворот второй пластинки в своей плоскости на 90° и переход к компенсационному расположению по- зволяет добиться высокой степени временной когерентности перекрывающихся пучков без монохроматизации первичного светового пучка и высокой степени их пространственной когерентности без ограничения размеров освещающего источника и без использования фокусирующей оптики. Прибор позволяет получить высококонтрастную протяженную яркую и красочную интерференционную картину при любом удалении экрана наблюдения и дать ясную интерпретацию природы явления, исходя из соображений симметрии кристаллооптической системы. 1 ил.