Задания и указания к выполнению

(Номера заданий, которые следует выполнить, называет преподаватель).

Задание 1. Подготовить на интерферометре Майкельсона демонстрации интерференционных картин в виде полос равной толщины и полос равного наклона. Показать полученные картины преподавателю. На рис. 15 представлена фотография рабочей установки: 1 – зеркало Z₁, 2 – плоскопараллельная светоделительная пластинка, 3 – зеркало Z₂. Компенсационная пластинка отсутствует, так как для получения интерференционной картины используется гелий-неоновый лазер.

 

Для получения полосы равной толщины необходимо на экране получить два световых пятна. Затем, используя юстировочные винты зеркала Z₂, совместить эти пятна.

Для того чтобы получить кольца равного наклона, необходимо, во-первых, с помощью трех опорных винтов и водяного уровня установить основание интерферометра в горизонтальном положении. Добиться, чтобы луч лазера падал на поверхность зеркал нормально. В этом случае лучи, отраженные от зеркал и прошедшие через светоделительную пластинку в сторону лазера должны попасть в выходное отверстие лазера.

 Затем с помощью юстировочных винтов зеркала Z₁ необходимо расширить до максимально возможного предела интервал между полосами равной толщины. Установить между лазером и светоделительной пластинкой короткофокусную линзу (Рис.16) так, чтобы поверхность зеркал была равномерно освещена. Спроектировать полученную картину на экран.

Задание 2. С помощью винтового окулярного микрометра измерить на микроинтерферометре Линника глубину какой-либо царапины. Для этого включить лампу, положить на столик прибора образец исследуемой поверхностью вниз к объективу, отключить правое плечо интерферометра с зеркалом Z₁, для чего поставить рукоятку 2 в положение (↑) (Рис.9). Вращением микрометрического винта получить четкое изображение поверхности. Затем поворотом рукоятки 2 в положение (→) включить правое плечо интерферометра и установить микроскоп на наиболее резкое изображение интерференционных полос. Окулярный микрометр развернуть так, чтобы одна из линий перекрытия была направлена вдоль полос.

Измерить в делениях барабана винтового окулярного микрометра ширину интерференционной полосы: совместить одну из линий перекрестия окулярного микрометра с серединой выбранной полосы, снять отсчет N₁, затем совместить эту же нить перекрестия с серединой соседней полосы и снять второй отсчет N₂. При работе в белом свете все измерения производят по двум черным полосам, наводку производить на середину полосы.

Измерить в месте расположения царапины величину изгиба полосы: поворотом столика вокруг вертикальной оси интерференционные полосы ориентировать перпендикулярно к направлению царапины, совместить одну из линий перекрестия окулярного микрометра с серединой полосы, снять отсчет N₃, затем совместить нить перекрестия с серединой этой же полосы в месте изгиба и снять второй отсчет N₄. Оценить в долях ширины интерференционной полосы величину изгиба ΔN и глубину царапины t в микрометрах:

, . (7)

При использовании белого света считать .

Задание 3. Измерить полосу пропускания Δλ имеющихся в микроинтерферометре светофильтров. Для этого получить на микроинтерферометре интерференционную картину от гладкой зеркальной поверхности. Установить светофильтр и подсчитать полное число N видимых полос:

, (8)

(N₃-N₄) – ширина в делениях окулярного микрометра всего поля зрения хорошо видимых полос, (N₁-N₂) – ширина одной полосы. Так как количество наблюдаемых полос совпадает с максимальным порядком интерференции,

N= k_{пред .}= , (9)

.   (10)

Проделать это с обычным светофильтром из цветного стекла. Сравнить результаты.

Задание 4. Измерить микроинтерферометром толщину напыленного на гладкую поверхность тонкого слоя. Для этого надо найти место, где напыленный слой кончается, образуя ступеньку (Рис.8в). Путем счета числа полос, на которое происходит сдвиг, определить высоту ступеньки, а, следовательно, и слоя.

Задание 5. Измерить на интерферометре Маха-Цендера зависимость показателя преломления воздуха от давления. Для этого включите лазер, убедитесь в том, что пучки излучения проходят через окна зеркал, не задевая их оправ. Установите экран и винтами зеркала A (Рис.11) совместите световые пятна на экране. Регулировочными винтами зеркал добейтесь по возможности горизонтальной ориентации полос и получите удобные для измерений размеры полос.

Винтами зеркала A сместите следы пучков света на экране так, чтобы они не перекрывались. Возвращая пучки обратно, обратите внимание на то, что интерференционная картина возникает сразу же, как только пучки «зацепятся» друг за друга, т. е. при наложении любых двух частей исходного пучка. Это означает высокую пространственную когерентность лазерного излучения, излучение когерентно по всему сечению пучка.

В кронштейнах поворотного столика интерферометра в один из пучков излучения установите кювету с пневмоблоком. Изменение давления на ΔP приведет к изменению показателя преломления воздуха на Δn. Возникает дополнительная разность хода Δ= l Δn, что приведет к смещению интерференционной картины на Δm полос:

Δ₁= l (n₁-n₀)=m₁λ₀, Δ₂= l (n₂-n₀)=m₂λ₀, Δ₂ - Δ₁= Δ= l (n₂-n₁)= (m₂-m₁) λ₀, (11) здесь n₁ – первоначальный показатель преломления воздуха в кювете, n₂ –показатель преломления воздуха в кювете после изменения давления, n₀ –показатель преломления воздуха в лаборатории; m₁, m₂ –номер (или порядок) интерференционной полосы в одной и той же точке интерференционной картины на экране. Из приведенных выше соотношений получаем l Δn= Δm λ₀ и

 (12)

Разделим выражение (12) на ΔP и преобразуем к виду:

 (13)

Если отношение Δn/ΔP остается постоянным при изменении давления, то зависимость показателя преломления воздуха от давления будет носить линейный характер и ее можно представить в виде:

 (14)

P –давление воздуха, для вакуума n=1, P=0.

Создайте в кювете избыточное давление 300 мм. рт. столба. Аккуратно приоткрывая кран помпы пневмоблока, снижайте давление и следите за смещением интерференционных полос. Через каждые 1-2 полосы закрывайте кран и фиксируйте давление. Результаты измерений внесите в таблицу:

P1,мм.рт.ст
Δm	2	4	6	8	10
300- P1

P₁ – избыточное давление.

Постройте график зависимости ΔN=f(300- P₁), убедитесь в его линейности. Из графика найдите  и по формуле (14) найдите показатель преломления воздуха в лаборатории. Необходимое значение давления воздуха в лаборатории определите по барометру, l =120мм, λ₀=0,6328мкм.

Задание 6. Продемонстрируйте смену цвета, пропускаемого интерференционным светофильтром при его повороте. Для этого можно использовать обычную проекцию (см. работу №4), устанавливая фильтр на место проектируемого объекта. Можно это наблюдать и субъективно, глядя через светофильтр на неяркий источник света (освещенную белую бумагу). Наиболее эффективным получается опыт, если такой поворачиваемый светофильтр поставить между источником света и спектроскопом.

Задание 7. Определить скорость распространения электромагнитных волн в воздухе. Для этого соберите модель интерферометра Фабри-Перо, используя детали школьного комплекта приборов для демонстрации свойств электромагнитных волн (Рис.14). Найдите расстояние между определенным числом (3-5) интерференционных максимумов, по формуле (5), полагая θ^’ = 0 и n=1, определите длину волны. Зная, что генератор излучает электромагнитные волны частотой 9,375*10⁹ Гц, рассчитать скорость электромагнитных волн в воздухе.

 

Для получения зачета необходимо:

1. Уметь:

· Демонстрировать на модели интерферометра Майкельсона полосы равной толщины и полосы равного наклона.

·  Настраивать микроинтерферометр Линника для наблюдения интерференции от разных поверхностей.

· Определять по числу интерференционных полос степень монохроматичности света.

· По смещению интерференционных полос определять на микроинтерферометре Линника глубину царапин, а на интерферометре Маха-Цендера изменение показателя преломления воздуха при изменении его давления.

2. Представить отчёт по выполненной работе.

3. Уметь отвечать на вопросы:

· Устройство интерферометра Майкельсона, ход лучей.

· При каком условии в интерферометре Майкельсона наблюдаются полосы равного наклона?

· Как производится настройка интерферометра Майкельсона для получения полос равного наклона?

· От чего и как зависит расстояние между интерференционными полосами равного наклона?

· Изменится ли ширина интерференционной полосы при замене светофильтра?

· При каком условии в интерферометре Майкельсона наблюдаются полосы равной толщины?

· От чего и как зависит расстояние между интерференционными полосами равной толщины?

· Как измерить толщину пленки с помощью микроинтерферометра Линника?

· На чем основан метод исследования зависимости показателя преломления воздуха от давления?

· Устройство интерферометра Маха-Цендера.

 

Тест 1