Praktikum školních pokusů 2 Optika 3A - Interference a difrakce světla Jana Jurmanová Přírodovědecká fakulta Masarykovy univerzity, Brno evropský sociální fond V ČR EVROPSKÁ UNIE INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ Interference na dvojštěrbině Odvoďte vztah pro polohu interferenčních maxim a minim, pokud uvažujete o interferenci na dvojštětbině. Zdroj i otvory ve štěrbině považujte za bodové. Interference na dvojštěrbině Diskutujte, jak ovlivní poměr šířky vrypů dvojštěrbiny (mřížky) vůči vzdálenosti vrypů výsledný obrazec. Nápověda: Difrakční minima na obdélníkovém otvoru šířky a splňují rovnici as\nO = zX zeZ Interference na dvojštěrbině Zobrazte interferenční obrazec, který získáte interferencí na dvojštěrbině, bez pomocí čoček na vzdálené stínítko. Experiment uspořádejte tak, aby šlo zdroj považovat za bodový. < < Interference na dvojštěrbině Zopakujte předchozí experiment tak, že IR záření odfiltrujete determálním sklem a interferenční obrazec zobrazíte pomocí webové kamery. Interference na dvojštěrbině Zopakujte předchozí experiment tak, že použijete čočku, její pomocí zaostříte obraz štěrbiny na stínítko a těsně za čočku vložte dvojštěrbinu. i _——elf i í < Ar=dsin6 1 r 1 Pro následující experimenty si zvolte jedno z předchozích tří zobrazení (na vzdálené stínítko, pomocí webkamery, čočkou). Časová a prostorová koherence - literatura ke studiu • J. Kuběna: Úvod do optiky, MU Brno 1994, skriptum, (též http://physics.muni.cz/ kubena/PDF1/ao1 v55.pdf) • P. Malý, Optika, Karolinum 2008. • J. Fuka, B. Havelka: Optika, SPN 1961, přístupné na: http ://www. opto.cz/kn i hy/ • F5412 Základní kurz fyziky v příkladech a aplikacích 2 http://is.muni.cz/predmet/sci/podzim2014/F5412 Prostorová koherence Použijte některé z předchozích zapojení. Jako zdroj světla použijte štěrbinu proměnné šířky s v libovolné vzdálenosti a od dvojštěrbiny. Jak závisí viditelnost interfenčního jevu na těchto parametrech? Jaký má význam interferenční šířka? 2a Časová koherence V některém z předchozích zapojení použijte jako zdroj světla úzkou štěrbinu a jako dvojštěrbinu tu, která má možnost zakrýt jednu či obě štěrbiny sklem. Pozorujte interferenční obrazec při překrytí jedné a obou štěrbin sklem. Vysvětlete pozorovaný jev. \ 2 koherenční délka 6 >WU_:_^ interferují 4-4- dráhový rozdíl 6 neinterferují dráhový rozdíl Určení vlnové délky z Youngova pokusu Sestavte jednoduchý difraktograf, použijte různé dvojštěrbiny s různými vzdálenostmi štěrbin. Určete z nich (alespoň orientačně) vlnovou délku viditelného světla. i —■—čT | J \e —-r-- i------ -Ar=dsin9 • Promyslete si, proč je při pozorování v difraktografu štěrbina osvětlena rovnoběžným svazkem, i když používáme jen jednu čočku, a ne dvě jako v úplném difraktografu. • Promyslete si, jak experiment měření vlnové délky světla zpřesnit. Difrakce světla na lineární optické mřížce • Pozorujte difrakci světla na různých optických mřížkách v jednoduchém difraktografu. • Z pozorovaných jevů odhadněte mřížkovou konstantu a šířku štěrbin mřížky. • Zdůvodněte, proč jsou obrazy jednotlivých difrakčních maxim rozmístěny nikoliv v rovině, ale na kružnici se středem v optickém středu čočky. E=2Rsin(0.56) Ec=2Rsin(0.5y) Ec=Esin(0.5y)/sin(0.56) EN=Esin(a+N6) Difrakční jevy pozorované okem a dalekohledem • Pozorujte difrakční jevy tak, že objekt, na kterém dochází k difrakci, přiložíte těsně před oko anebo před přední čočku dalekohledu. Jako zdroj použijte bodový zdroj světla. • Promyslete si, jak konkrétně realizovat bodový zdroj světla pro obě pozorování. • Zakreslete chod paprsků světla při těchto pozorováních. Jaký je princip tohoto pozorování? Jako difrakční objekty použijte dvojštěrbiny, štěrbiny, mřížky, tkaninu, pleteninu a další vhodné objekty. Interference světla na tenké vrstvě • Zobrazte interferenci světla na Newtonových sklech současně na odraz a na průchod, a Pozorujte interferenci na tenké vzduchové mezeře mezi dvěma skly. • Proč jsou interferenční obrazce na průchod a odraz komplementární (poloha maxim a minim)? • Proč je při použití červeného filtru vidět více proužků než v bílém světle? • Které z paprsků 1-4 interferují? • Proč je různá viditelnost interferenčních obrazců Qa od^az a_průcbod? f4 Interferenční proužky stejného sklonu Jak je možné, že interference vzniká na tenké vrstvě a je viditelná i bez čočky? Jaké musí být splněny podmínky? 1 Proužky stejného sklonu - slídová destička Vytvořte interferenci světla sodíkové výbojky na slídové destičce. Vysvětlete pozorování. Laser a experimenty s ním • Objasněte princip laseru, na konkrétních provedeních (HeNe laser, polovodičová dioda) vysvětlete, jak jsou splněny podmínky vzniku stimulované emise (aktivní prostředí s metastabilními stavy, optický rezonátor) • Jak je to s prostorovou a časovou koherencí laserového svazku? • Musí být světlo vycházející z laseru lineárně polarizované? Jak lze zařídit, aby bylo? • Proveďte s laserem vhodné interferenční a difrakční experimenty (viz předchozí úlohy). • Objasněte rozšiřování centrálního maxima při difrakci na obdélníkovém otvoru. • Objasněte, jak lze pomocí laserového světla rozeznat, jsou-li přední a zadní strana skleněné desky rovnoběžné či nikoliv, experiment proveďte. Kromě laserů a difrakčních a interferečních objektů je k dispozici i rozptylka a kolimátor produkující rovnoběžný svazek paprsků. Princip rekonstrukce holografického obrazu • Vytvořte na stínítku obraz hologramu metodou dopadu laserového paprsku na hologram pod úhlem přibližně 45 stupňů a zobrazení odchýleného světla na stínítko. • Pozorujte laserový hologram okem tak, že svazek roztáhnete pomocí rozptylky a oko vložíte na místo, kde stálo stínítko. Princip rekonstrukce holografického obrazu