Dyfrakcja i interferencja

Cel ćwiczenia

Wykonanie eksperymentów interferencyjno-dyfrakcyjnych z użyciem klasycznego źródła światła.

Przyrządy:

• ława optyczna,
• lampa spektralna Hg lub Na,
• filtry absorpcyjne (żółty, zielony, fioletowy),
• uchwyty do filtrów i szczelin,
• różne rodzaje szczelin i materiały do ich wykonania,
• aparat fotograficzny (lustrzanka jednoobiektywowa, np. "Zenith").

Sposób wykonania

Na ławie optycznej montujemy lampę rtęciową, filtr, pojedynczą szczelinę (punktowe źródło światła), układ szczelin SZ, aparat fotograficzny.

1. Przygotować szczeliny SZ. Szczeliny wycina się na naświetlonej szklanej płycie fotograficznej. Zwykle doświadczenie wykonuje się na układzie dwóch szczelin (doświadczenie Younga) i na pojedynczej szczelinie ("czysta" dyfrakcja).
2. Należy dobrać optymalne ustawienie układu optycznego takie, aby na matówce aparatu otrzymać ostry obraz prążków, który fotografujemy. Wykonać zdjęcia przy różnych czasach naświetlania. Możliwe jest fotografowanie prążków albo bezpośrednio na kliszy (bez obiektywu), albo w zwykły sposób z użyciem obiektywu (ew. z pierscieniami). W drugim wypadku należy pamiętać o uwzględnieniu wpływu układu optycznego aparatu przy opracowaniu wyników.
   Uwaga: W obu wypadkach do analizy obrazu dyfrakcyjnego stosuje się opis dyfrakcji wg. Fraunhofera.
3. Otrzymane obrazy fotometrujemy otrzymując wykresy prążków dyfrakcyjnych i interferencyjnych lub przy pomocy komparatora Abbego wyznaczamy położenia prążków. Można je porównać z rozkładem teoretycznym.
4. Twierdzenie van Citterta-Zernikego pozwala oszacowac obszar spójności

   

   rsp ≈

   d λ  a

   Oznaczenia:

   a - rozmiar źródła światła (szczelina lub otwór),

   d - odległość szczelin od źródła światła,

   r_sp - szerokość obszaru spójności.

   i w efekcie - górną granicę odległości między szczelinami w doświadczeniu Younga.

   Oszacowana w ten sposób wielkość obszaru spójności może być wykorzystana do takiego dobrania warunków doświadczenia (położenia poszczególnych elementów układu pomiarowego), aby uzyskać na matówce aparatu wyraźny obraz interferencji.

Przykłady ćwiczeń do wykonania

Interferencja na dwóch szczelinach (doświadczenie Younga):

Wyniki pozwalają wyznaczyć długość fali ze wzoru opisującego położenie kolejnych prążków:

xm =

f λ  d

1  n

gdzie:

f - odległość od szczelin do ekranu (kliszy),

d - odległość między szczelinami,

n - współczynnik załamania ośrodka.

m = 0, 1, 2,...

Dyfrakcja na pojedynczej szczelinie:

Wyniki mogą posłużyć do wyznaczenia szerokości szczeliny.

Porównanie obrazu interferencyjnego i dyfrakcyjnego:

Fotografujemy obraz powstały na dwóch szczelinach, z których jedną zasłaniamy częściowo. W ten sposób na wspólnym zdjęciu otrzymujemy obraz interferencji na dwóch i dyfrakcji na jednej szczelinie.