Описание лабораторной установки

Функциональная схема установки приведена на рис.7. Она включает в себя источник света 1, в качестве которого используется полупроводниковый лазерный диод ЛД с блоком питания 2. они соединены между собой с помощью соединительного шнура 3.

Лазер укреплен в юстировочном устройстве 4, позволяющем изменять направление распространения лазерного луча в вертикальной и горизонтальной плоскости, что обеспечивает простоту настройки всего макета в целом. На торце лазера в специальной оправке размещен поляризатор 5, вращение которого вокруг оси позволяет менять направление поляризации лазерного излучения.

Юстировочное устройство жестко связано с предметным столом 6, на котором размещается исследуемая призма 7. Узел крепления призмы обеспечивает возможность ее перемещения в продольном направлении и вращения вокруг оси, проходящей через центр стола, независимо от него.

Предметный столик также может вращаться вокруг своей оси. Его поворот может осуществляться вручную и с помощью двух микрометрических винтов, расположенных с двух противоположных сторон. Ход каждого винта обеспечивает поворот столика на угол 5 градусов. Один оборот винта соответствует повороту столика на 1 градус. Для отсчета угла на боковую поверхность столика нанесена отсчетная угловая шкала с ценой деления 1 градус, а на микрометрические винты нанесены шкалы, позволяющие проводить отсчет десятых долей градуса. 

Установка начального отсчета угла, соответствующего нормальному падению лазерного луча на боковую грань призмы, производится по совпадению следа отраженного от нее луча с отверстием поляризатора 5.

Лазерный луч через поляризатор 5 падает на боковую грань призмы 7.

Рис. 7

 

Поскольку явление полного внутреннего отражения наблюдается при падении волны на границу раздела со средой с меньшим коэффициентом преломления, в качестве такой границы выбрано основание призмы. Падающий луч от лазера падает на боковую грань призмы (рис. 8) под углом q₁. При этом происходит его частичное отражение.

 

Рис. 8

Преломленный луч проникает в материал призмы с коэффициентом преломления n₁ ³ 1 и распространяется в нем под углом q₂:

q₂ = arcsin (sinq₁ / n₁)

Далее преломленный луч под углом q₂ падает на основание призмы, представляющее собой границу раздела с воздухом (n₂ = 1). На этой границе и анализируются описанные выше явления. Для измерений используются две призмы, отличающиеся значениями коэффициента преломления.     

Для количественного измерения значений коэффициента отражения используется фотодиод 8, который укреплен в юстировочном устройстве 4, позволяющем изменять его угловое положение в вертикальной и горизонтальной плоскости.

Ток фотодиода, пропорциональный оптической мощности, попадающей на его чувствительную площадку, усиливается фотоприемником 9 и отображается на цифровом табло, расположенном на его лицевой панели.

Фотодиод и фотоприемник соединяются с помощью шнура 10.

На рис. 9 показана лицевая панель блока питания ЛД –«БЛОК ПИТАНИЯ ИЗЛУЧАТЕЛЯ». Он подключается к нему с помощью соединительного шнура с разъемом РС4-ТВ. Блочная часть разъема находится на лицевой панели и снабжена надписью «ОПТИЧЕСКИЙ ВЫХОД».

 

 Рис. 9

Блок предусматривает возможность:

· регулировки тока накачки с помощью потенциометра ручка которого выведена на лицевую панель. Изменение тока накачки позволяет изменять мощность излучения лазерного диода;

· переключение пределов изменения тока накачки (5, 50 мА) с помощью кнопочного переключателя;

· регистрации тока накачки с помощью цифрового индикатора «ТОК ИЗЛУЧАТЕЛЯ».

Питание БПИ осуществляется от сети 220v / 50Hz. Включение блока осуществляется тумблером с подсветкой «СЕТЬ» на лицевой панели.

На рис. 10 показана лицевая панель блока ФП. Фотодиод подключается к нему с помощью шнура питания с разъемом РС4-ТВ. Блочная часть разъема находится на лицевой панели и снабжена надписью «ОПТИЧЕСКИЙ ВХОД».

Рис. 10

 

Блок предусматривает возможность переключения пределов измерения оптической мощности. Для этого на лицевой панели имеется кнопочный переключатель «ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ». Нажатие кнопок «0,001; 0,01; 0,1; 1» на лицевой панели приводит к изменению коэффициента усиления фототока.

Для контроля оптической мощности на лицевой панели ФП имеется цифровой индикатор «ОПТИЧЕСКАЯ МОЩНОСТЬ, ОТН. ЕД.». Оптическое излучение, попадающее на чувствительную площадку фотодиода, вызывает изменение тока (фототока), протекающего через его pn переход. Фототок прямо пропорционален значению оптической мощности на чувствительной площадке фотодиода. Поэтому показания цифрового индикатора пропорциональны этой мощности, но не равны ей. Измерение с помощью фотоприемника осуществляется в относительных единицах.

На рис. 11 приведен эскиз поворотного устройства для вращения исследуемой призмы 1. Она размещена на предметном столе 2. Ее положение фиксируется струбциной 3. Входящие в состав струбцины винты 4 позволяют перемещать призму вдоль предметного стола. 2.

Предметный стол может вращаться вокруг вертикальной оси.. С этой же осью связаны две направляющие 6, которые могут вращаться вокруг вертикальной оси. На торцах направляющих крепятся юстировочные устройства 7. Весь узел расположен на основании 5

В юстировочных устройствах 7 крепятся фиксаторы фотодиода 8 и полупроводникового лазерного диода 9. На торце последнего размещен поляризатор с диафрагмой 10. Вращение поляризатора 10 вокруг горизонтальной оси меняет поляризацию лазерного излучения и его интенсивность.

 

Рис. 11

Регулировочные винты 12. 13 и 14, 15 служат для изменения углового положения фотодиода и лазера в вертикальной и горизонтальной плоскости, соответственно.

На рис. 12. (вид сбоку) и 13. (вид сверху без предметного стола) показана кинематическая схема поворотного устройства.

На основании 5 установлена обойма 17, в которой вращается ось 16. Между осью и внутренней поверхностью обоймы имеется фторопластовая втулка, выполняющая роль подшипника трения.  

     На оси 16 расположены два кольца 18 с фиксирующими винтами 19. На рис. 12 показан торец фиксирующего винта верхнего кольца. Фиксирующий винт нижнего кольца расположен с противоположной стороны. В кольца 18 ввернуты штанги 21.

На основании 5 размещены две стойки 22, 23, имеющие различную высоту. В верхней их части имеется выемка, в которую входят штанги 21. В верхнюю часть стоек 22, 23 ввернуты винты 24, заостренные торцы которых опираются на штанги 21.

Рис. 12

 

На противоположных сторонах штанг установлены пружины 27 с направляющими 28. Направляющие 28 проходят сквозь отверстия в стойках 22, 23, а пружины 27 опираются на их выступы (рис. 13).

Рис. 13

Винты 24 перемещаются по резьбе в стойках 22, 23 и толкают штанги 21. Если соответствующее кольцо 18 зафиксировано на оси 16 с помощью винта 19, то перемещение винта 24 приводит к повороту фланца вокруг оси. Размеры элементов подобраны таким образом, что оборот винта 24 на 360⁰ приводит к повороту фланца на 1⁰.

Пружины 27 с направляющими 28, расположенные с противоположной относительно винта 24 стороны штанги 21, обеспечивают возвращение кольца со штангой в исходное положение при выворачивании микрометрического винта.

Поворот оси 16 с установленным на ней предметным столом 2 и исследуемой призмой 1 в штативе 3 (рис. 11 – 13) с помощью винтов 24 осуществляется следующим образом.

1.Ослабить оба фиксирующих винта 19.

2.Установить винты 24 в среднее положение.

3.С помощью винта 19 зафиксировать только одно кольцо. Второй винт 19 должен остаться ослабленным.

4.Вворачивая или выворачивая винт 24 по резъбе в стойке 22, 23 осуществлять вращение оси 16. Поворот оси с помощью одного винта не должен превышать 7⁰.

     При достижении предельного значения угла поворота необходимо выполнить следующие действия.

     1.С помощью винта 19 зафиксировать второе кольцо на оси фланца.

     2.Ослабить винт 19 первого кольца.

     3.Установить винт 24 первого кольца в среднее положение.

     4.Продолжить вращение оси 16 с помощью второго винта 24 второго кольца.

Отсчет угла при этом производится по угловой шкале на боковой поверхности предметного стола 2 с помощью визира 26 (единицы градусов) и шкале на боковой поверхности микрометрического винта (десятые доли градуса). Визиром в этом случае является плоскость 25 с нанесенной на ее поверхность шкалой.

     Поворот оси 16 с установленным на ней предметным столом 2 и исследуемой призмой 1 в штативе 3 может осуществляться без применения винтов 24. При этом оба фиксирующих винта 19 должны быть ослаблены. Отсчет угла производится по шкале на боковой поверхности фланца.

     Фотодиод и полупроводниковый лазер крепятся в однотипных юстировочных устройствах (4 на рис. 7, 7 на рис. 11). Эскиз такого устройства приведен на рис. 14.

Основой его является обойма 1, внутри которой крепятся два кольца 2 и 3. Крепление осуществляется с помощью упоров 4 и 5. Они образуют две взаимноперпендикулярных оси. Вокруг этих осей соответствующее кольцо может вращаться.

Рис. 14 а

 

 

Рис.14 б

С противоположной относительно колец стороны обоймы    1 закреплена круглая пластина 6 с двумя резьбовыми и двумя простыми отверстиями. По резьбе в пластину 6 ввернуты два регулировочных винта 7 и 8 (12, 13 и 14, 15 на рис. 11). С их помощью осуществляется вращение колец 2 и 3.

Торцы винтов 7 и 8 упираются в кольца 2 и 3, соответственно. С противоположной стороны колец установлены упорные пружины 9 с направляющими 10. Вворачивание или выворачивание регулировочных винтов приводит к повороту кольца. Упорные пружины фиксируют его положение.

Корпус фотодиода или полупроводникового лазера 13 вворачивается по резьбе в кольцо 3. С противоположной стороны в кольцо 3 может быть установлен поляризатор. Он состоит из двух цилиндров 11, 12, скрепленных между собой. Между ними зажимается поляризационная пленка. Диаметр кольца 11 совпадает с внутренним диаметром кольца 3.

Юстировочные устройства устанавливаются на направляющих 6 (рис. 11). Предусмотрена возможность регулировки высоты их расположения. Конструкция узла, обеспечивающего регулировку высоты, поясняется рис. 15.

На рис. 15 показано одно из юстировочных устройств 1 с регулировочными винтами 2 и направляющими пружин 3. Оно установлено на подвижном основании 4, которое может перемещаться в вертикальном направлении в фигурной плате 5.

Вертикальное перемещение юстировочного устройства достигается путем перемещения по резьбе винта 7 в гайке 6. Гайка крепится к нижней части фигурной платы 5.

Направляющие 4 закреплены винтами на двух треугольных опорах 8. Последние, в свою очередь, связаны с направляющей 9 (6 на рис. 11, 12).