Учебный прибор по оптике

 

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.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

„„Я0„„1481 () 4 Г 09 В 23/22

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н А BTOPGHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ, ГКНТ СССР (21) 4193405/31-12 (22) 11. 02.87 (46) 23.05.89. Бюл. М- 19 (75) Я.Е. Амстиславский (53) 532(088.8) (56) Поль Л.В. Оптика и атомная физика. — M. 1966, с. 120-122. (54) УЧЕБНЫЙ ПРИБОР ПО ОПТИКЕ (57) 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 оп1

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, объектив 3, поляроид-поляризатор 4 и сменный светофильтр 5 для выделения желтых спектральных линий. Слюдяная пластинка 6 расположена перед экратической 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 фокуси руется на поверхности слюдяной пластинки при помощи конденсатора и объектива и в световой пучок вводится поляроид-поляризатор и сменные светофильтры. 2 з.п.h-лы, 4 ил. ном 7 и имеет на каждой поверхности полупрозрачное металлическое покрытие. Наиболее оптимальные характе-. ристики для пластинки — коэффициент отражения p = 0,7, коэффициент пропускания а 0,2, коэффициент поглощения А = О, 1. Прозрачность пластинки в максимумах порядка 0,44.

Пластинка закреплена в поворот,ной 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 учебньпr прибор как! 481843 рефрактометрический и спектральный прибор и осуществить ряд важных новых демонстраций.

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

0,7 эффективное число интерфе- 10 рирующих лучей N,е = ii - р /(1- p ) (или, что то же, фактор резкости F, равный по определению отношению расстояния между соседними интерференционными полосами к ширине одной 15 полосы) и составляет Ие = 9. Сужение полос при этом оказывается вполне достаточным, чтобы при правильно подобранной толщине t слюдяной пластинки демонстрировать следующие явле- 2О ния.

Наличие двойного лучепреломления в слюде, !

Пусть на слюдяную пластинку падает монохроматический пучок плоскополяризованного света при диагональной ориентации вектора колебаний. В силу двойного лучепреломления в пластинке световой пучок делится на два щО плоскополяризованных пучка одинаковой интенсивности с колебаниями во взаимно-перпендикулярных плоскостях.

Показатели преломления слюды для этих колебаний и„ и пг различны. При нормальном расположении пластинки каждьпЪ из пучков формирует свою систему интерференционных полос в виде семейства почти правильных колец.

Возрастание радиусов колец r, сопровождается 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 разлиfl чия радиусов смежных колец 3и

50 — r можно оценить величину о . Пок

0 и ворот поляроида на 45 по часовой стрелке или против нее подавляет одну или другую систему колец, что

rrrre более подчеркивает природу наблюдаемого явления. Зависимость меж55 ду F> и 8,, можно получить, исходя из известного jcrroBHH формирования светлых интерференционньтх полос в проходящих через плоскопараллельную пластинку лучах

2t n — в .п1х +Ilg = К5, (1) где п толщина пластинки; ее показатель. преломления; угол падения лучей на пластинку; прирост разности хода, обусловленный суммарным скачком фаз при двух последовательных внутренних отражениях от поверхностей пластинки; порядок интерференции; длина световой волны.

Возводя обе части (1) в квадрат, имеют К 2 п2 — sin2 i

2t (2) Из чертежа видно, что

3„cosi 8„ — cos2 1

L cosi L

Учитывая, что

° r

I Я1П1 = tgi ° COS1 = — ° Cosl

У имеют „= r, З„соя 1/L п

К.Так как г„((Ь, можно воспользоваться приближением

cos "i = (1 sinã i) 2 — (1 tg2i)г (1 гг /L2-) 2 1 2rã /1 г к К я r„(1 21 „ /L ) g я () и

1.2 и и„

12„ ,„(.1 = г „ 2„".г „г

Расстояние Ь r между полосами соседних К и (К-1! порядков (Л К = -1) При переходе от одного из смежных колец к другому имеют К = const 8

= const, поэтому изменение i обусловлено только изменением и. Дифференцируя (2), получают

П 3и — = З1П1СОЗ1

5 148 Iu нетрудно найти из (1). Для упрощения выкладок пользуются приближением

2t - г1„- 1з1пг i/n2 = 2t (1 — sin2/2n ) sinã i/n = 2tл t ° tg2 i/n =

ty2 /n1 2 (5) 10

После подстановки (5) в (1) получают

2t n — tr2 /nL2 +Й = K9, (6) Дифференцируя (6) по К при условии, что 2t „= const и 3д = const и заменяя drÄ IIa h г„и dK íà hK = »1, имеют

"h |,гп р

2r„t

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

2В (10) (8) Величину К оценивают из (1) при

Тогда на основании (4) и (7) полу- ° > р

О. и uî> = 2 п/ф . Поэтому 10 чают ЗО с-(принимает вид

Пгниг

3„„Ф ) =— (9) Хорошей видимости эффекта соответствует, как и выше, равенство (8) или иначе (12) 40 Исходя из (,2) и учитывая (i1) и (4), получают выражение для оценки оптимальной величины в виде о ф 3„/n (1 — 2r /ТР ) (13)

Для Ъ = 5780 А, Р„ = 4 2 10

n = 1,59, r< = 0 3L имеют 8,„ = 19 А.

Достоинства учебного прибора со слюдяной пластинкой в плане устранения громоздкости сводится к следу50 ющим 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, таДля Ъ = 0,5461 мкм r „= 0,3 м, 1 = 1 м, о, = 4,2 10 имеют ь 35 мкм. Этот результат и определяет оптимальную толщину слюдяной плас тинки

Наличие у прибора со слюдяной пластинкой свойств спектрального прибора.

Пусть на слюдяную пластинку падает свет ртутной лампы, монохроматизированный светофильтром @,, выделя-. ющим излучение зеленой ртутной линии (%, = 5461 А) . Пусть поляроид П ориентирован при этом так, что двойное лучепреломление отсутствует, т.е. формируется только одна система колец. Если теперь светофильтр Ф заменить светофильтром Фг выделяющим, излучение желтых линий hg = 5770 А и (I о о = 5791 A (3 = 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 излучении двух близких спектральных линий. Интерферометр пространственно разделяет эти линии, т.е. обладает свойствами спектрального прибора с соответствующей угловой дисперсией и разрешающей способностью. Причем и та и другая величины значительно превосходят соответствующие параметры демонстрационногo спектроскопа со спектральной призмой. Величину

tl можно связать с рас" таянием между смежными кольцами

3г„,(8;; 1„ т.е. выполнить спектроскопические оценки явления. С этой целью пользуюгся соотношением (6) . При отсутствии двойного лучепреломления можно пренебречь дисперсией показателя преломления слюды и положить n =

= const. Кроме того, по смыслу задачи можно положить K = const и 3g

= const. Тогда после дифференцирования (6) по ф и замены dÄ, íà S„(b>) и d9 на 3 получают

1й81843 кие как поляроид-поляризатор и сменные светофильтры. При освещении интерферометра можно воспользоваться фокусирукпцей системой — конденсорной

5 линзой в сочетании с объективом, и посредством такой системы сфокусировать первичный световой пучок на малой части поверхности слюдяной плас тинки, Это смягчает требования к 10 пластинке в плане .ее плоскопараллельности и однородности, которые теперь распространяются только на небольшую освещенную часть поверхности пластинки, Наблюдение картины как при нор- 15 мальном так и при наклонном располос t

1кениях учебного интерферометра осуществляется по одной и той же схеме.

При этом поворот слюдяной пластинки не меняет положения картины и не тре- 20 бует поэтому перемещения экрана, что йозволяет демонстрировать явление

s ..широком диапазоне углов падения первичного пучка на интерферометр и наблюдать в динамике влияние накло- 25 на слюдяной пластинки на ход полос.

Увеличение светосильности учебного интерферометра со слюдяной пластинкой обусловлено следующей причиной: при указанных параметрах высокоотра- 30 жанюцих полупрозрачных покрытий (p

0,7, А 0,1, (, 0,2) прозрачцость интерферометра в максимумах составляет около 0,44. Это значит, ,что интенсивность светового пучка в области интерференционных максимумов Хмакс= 0,44Iб, что и Обусловливает заметное (в 2,2 раза) возрастание освещенности светлых полос картины при использовании той же освещающей системы.

Формула из обретения

1. Учебный прибор но оптике, содержащий установленные на оптической скамье осветитель с ртутной лампой, интерференционный элемент s виде слюдяной пластинки в оправе и экран, отличающийся тем, что, с целью расширения демонстрационных возможностей, пластинка выполнена с отражающим полупрозрачным покрытием на обеих поверхностях, а между осветителем и пластинкой установлен конденсор.

2. Учебный прибор по п. 1, о тл и ч а ю шийся тем, что осветитель снабжен поляроидом-поляризатороме

3.. Учебный прибор по п. 1, о тл и ч а ю шийся тем, что, с целью демонстрации спектральных свойств интерферометра, осветитель снабжен светофильтром, выделяющим желтую часть спектра, а толщина пластинки соответствует расстоянию между двумя желтыми линиями спектра.

1 481 843

Составитель P. Ужвий

Техред А. Кравчук Корректор И. Муска

Редактор И. Горная

Заказ 2б97/54 Тираж 470 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул. Гагарина,101