Лабораторная работа № 10 изучение дифракции света на отражательной дифракционной решетке с помощью компакт-диска

Цель работы

Исследование дифракции света на отражательной дифракционной решетке и измерение расстояния между строками записи информации на компакт-дисках.

 

Оборудование

Небольшая пластинка, вырезанная из компакт-диска, гелий-неоновый лазер, экран для наблюдения дифракционных максимумов, устройство для придания пластине необходимой ориентации, линейка с делениями на сантиметры и миллиметры.

 

Метод измерений

Определение расстояния между строками записи информации на компакт-дисках проводится с помощью гелий-неонового лазера (l = 630 нм).

 

Подготовка к работе

В ходе домашней подготовки к выполнению лабораторной работы студенты знакомятся с теоретической частью (п. 11.5) настоящего методического указания. Кроме того, ими подготавливается бланк отчета по лабораторной работе, содержащей титульный лист (см. Приложение А); цель работы (п. 11.1); краткое описание экспериментального оборудования (п. 11.2); письменные ответы на контрольные вопросы (п. 11.8) при использовании теоретической части (п. 11.5) и рекомендуемой литературы (п. 11.9).

 

Теоретическая часть

Различают два вида дифракционных решеток: решетки, работающие на пропускание света и отражательные дифракционные решетки. Решетки первого вида представляют собой совокупность большого числа узких параллельных щелей, расположенных на одинаковом расстоянии друг от друга. Такую решетку можно изготовить путем нанесения рисок алмазным резцом на поверхности стеклянной пластины. Узкие полоски неповрежденного стекла на такой пластине играют роль щелей, а риски – роль непрозрачных промежутков. На рисунке 11.1 а приведен участок сечения такой решетки и свет, дифрагирующий от щелей 1, 2, 3 и т. д.

 

а)	б)
Рисунок 11.1 – Схемы дифракционных решеток: а) прозрачная; б) отражательная

 

В научных лабораториях применяют в основном отражательные решетки. Получают их путем нанесения параллельных равноотстоящих рисок на поверхности хорошо отражающей металлической пленки, на пленке алюминия, например, нанесенной на поверхность стеклянной или пластмассовой пластины. На рисунке 11.1 б изображен профиль сечения такой решетки плоскостью, перпендикулярной рискам. Выступы 1, 2, 3 …, отражательной решетки играют такую роль, как и щели решетки, работающей на пропускание света, а риски – роль непрозрачных промежутков. Пусть на отражательную решетку перпендикулярно к ней падает пучок монохроматического света (плоская волна). Тогда согласно принципу Гюйгенса от каждого выступа решетки будут распространяться вторичные сферические волны, пучки расходящихся лучей (рисунок 11.1 б). Вследствие этого свет уклоняется от первоначального направления огибает риски, дифрагирует. Поэтому решетку и называют дифракционной.

Рассмотрим волны (лучи), дифрагирующие под углом j к первоначальному направлению. На пути этих лучей установим зрительную трубу, ось которой параллельна этому пучку лучей (рисунок 11.2). Объектив трубы (линза О) соберет эти волны в главном фокусе, где они накладываются друг на друга. Вторичные волны являются частями первичной волны, поэтому они когерентны и при наложении в точке интерферируют. Результат интерференции зависит от разности хода волн, идущих от соседних выступов решетки. Найдем разность хода волн, приходящих в точку F от двух соседних выступов А и В (рисунок 11.2).

Рисунок 11.2 – Схема установки для наблюдения максимумов

Для этого из толчки В опустим перпендикуляр на луч, идущий от выступа А. Видно, что ход волн от точки А до F (расстояние ADF) больше, чем ход волны от выступа В до точки F на отрезок АD. В треугольнике АВD угол Ð АВD = j, как углы с взаимно перпендикулярными сторонами, таким образом, искомая разность хода волн

D = АD = АВ sinj = d sinj, (11.1)

где d - постоянная решетки (шаг решетки).

Известно, что при наложении двух когерентных волн они усиливают друг друга при выполнении условия:

D = k l, (11.2)

где k =0, 1, 2, ….

Условие (11.2) называют условием возникновения максимумов при интерференции света. Если условие (11.2) выполняется, то волна от выступа В усиливает волну от выступа А, волна от выступа С усиливает волну от В. Иначе говоря, волны от всех выступов решетки усиливают друг друга. При этом в точке F наблюдается главный максимум освещенности. Если k =1, то максимум называют первым, при k =2 наблюдается второй максимум и т. д. Из соотношений (11.1) и (11.2) следует, что главные максимумы наблюдаются при выполнении условия:

d sinj = k l, (11.3)

Расчеты показывают, что между двумя соседними максимумами находится N ‑ 2 побочных максимумов, но при большом числе N выступов в решетке их интенсивность так мала, что они практически не наблюдаются. Для изображенной на рисунке 11.2 установки при наблюдении всех возможных максимумов зрительную трубу надо перемещать по дуге окружности изменяя угол оси трубы от 0° до 90°.

 

Рисунок 11.3 – Схема установки для наблюдения максимумов без зрительной трубки

Дифракционные максимумы от отражательной решетки можно наблюдать и без зрительной трубы. Рассмотрим установку, схема которой изображена на рисунке 11.3, где R – отражательная решетка, MN – экран, непрозрачная пластина с отверстием PQ. Через это отверстие направим на решетку пучок лучей монохроматического света (луч лазера), тогда в любую точку экрана, точку А, будут приходить вторичные волны от всех выступов решетки, на которые попадает свет. При их нахождении в точке А они интерферируют. Если при угле дифракции j выполняется условие (11.3), то в точке А наблюдается главный максимум - светлое пятно. Максимум нулевого порядка (k =0) совпадает с серединой отверстия в экране, максимумы одного и того же порядка располагаются симметрично относительно отверстия PQ.

Рисунок 11.4 – Схематическое изображение участка диска с записанной информацией

Для изучения дифракции света от отражательных решеток можно воспользоваться пластиной, вырезанной из компакт-диска. Такие диски применяются для записи информации в компьютерах. На рисунке 11.4 а схематически показан участок диска с записанной на нем информацией в виде точек и черточек, выступающих над поверхностью металла на высоту порядка 0,1 ‑ 0,2 мкм, а их ширина – 0,5 ‑ 0,6 мкм. На рисунке 11.4 б приведено сечение участка диска по линии АВ. Видно, что между выступами, строками, записанной информации, находятся полоски нетронутой металлической пленки, которые играют роль выступов отражательной решетки, рассмотренной ранее.

Основная задача этой работы – определение расстояния между строками записи информации d (рисунок 11.4 б), иначе говоря, определение шага решетки.

 

Устройство и принцип работы

Схема установки приведена на рисунке 11.5. Луч лазера 1 через отверстие в экране 2 направляется на поверхность оптического компакт-диска 3, помещенного в юстируемый зажим. Зажим с помощью микровинтов позволяет поворачивать плоскость диска вокруг вертикальной и горизонтальной осей, а также перемещать его в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Компакт-диск следует установить так, чтобы лазерный пучок падал на него нормально на одну из точек горизонтального диаметра диска. В этом случае луч нулевого порядка дифракции отразится обратно в отверстие на экране, а лучи, соответствующие первому и второму порядкам дифракции, попадут на экран и расположатся симметрично центральному отверстию. Абсолютно строгой симметрии можно не добиваться.

 

Рисунок 11.5 – Схема установки для изучения дифракции от отражательной решетки

 

Поскольку записанная на компакт-диске дифракционная решетка образована концентрическими линиями, форма дифракционных максимумов на экране может для некоторых участков быть дугообразной.