Лабораторный оптический комплекс ЛКО-3П

ФЕДЕРАЦИИ ПО РЫБОЛОВСТВУ

АСТРАХАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

КАФЕДРА ФИЗИКИ

ФИЗИЧЕСКИЙ ПРАКТИКУМ

ОПТИКА

Учебно-методическое

Пособие

АСТРАХАНЬ – 2003

Учебно-методическое пособие для студентов инженерно-технических специальностей всех форм обучения. Включает описания деяти лабораторных работ по волновой оптике (разделы «геометрическая оптика», «фотометрия», «интерференция света», «дифракция света», «поляризация света»), выполняемых на лабораторном оптическом комплексе ЛКО-3П фирмы ВЛАДОС (г. Москва).

Авторы:

к.ф.м.н Карибьянц В.Р. (введение, работы №№ 1 – 10),

Кузьмин С.И. (работы №№ 1 – 7),

Берёзина И.С.. (работы №№ 1 – 7),

Чешев В.Г. (работы №№ 1 – 7),

Под редакцией к.ф.м.н. В.Р.Карибьянца.

Рецензенты: к.ф.м.н., доц. В.И.Евдашкин, к.ф.м.н. В.Ю.Маньков.

Учебно- методическое пособие рассмотрено и утверждено к печати на заседании кафедры физики АГТУ

(протокол № от 2003).

Введение

В настоящее учебно-методическое пособие включены описания десяти лабораторных работ по геометрической и волновой оптике, выполняющихся на базе лабораторного комплекса ЛКО-3П фирмы «Владос» (г. Москва).

Пособие составлено в соответствии с рабочими программами по физике для инженерно-технических специальностей и может быть использовано при работе со студентами всех форм обучения. Каждая лабораторная работа помимо подробного описания учебного эксперимента содержит краткое изложение соответствующей теории. При отборе теоретического материала авторы стремились по возможности избежать излишнего дублирования распространенных учебников и сложившихся лекционных курсов: большее внимание уделено вопросам, включенным в программу, но традиционно слабо освещаемым на лекциях (например, вывод формул Френеля, физический механизм вращения плоскости поляризации света и др.). Описания всех работ снабжены контрольными вопросами и списком дополнительной литературы.

Рекомендуемое аудиторное время на выполнение и отчет по каждой лабораторной работе – 4 академических часа. В течение учебного семестра студентам специальностей, учебными планами по физике которых предусмотрено 16 или 18 часов лабораторных работ, рекомендуется выполнить 4 работы: №№ 1, 4, 6 и 8. Студентам специальностей, предусматривающих 34 или 36 аудиторных часов лабораторных работ, рекомендуется выполнить 7 работ, из которых 4 перечислены выше, а еще 3 либо назначаются ведущим преподавателем, либо выбираются по усмотрению самих студентов.

При написании пособия была использована следующая литература:

1. Описание работ фирмы «Владос».

2. И.В.Савельев. Курс общей физики. Том 2. М.: Наука, 1978, 480 с.

3. Ландсберг. Оптика.

4. Волновая физика.

5. Т.И.Трофимова. Курс физики. М.: Высшая школа, 1998, 542 с.

6. Б.М.Яворский, А.А.Пинский. Основы физики. Том 2. М.: Наука, 1974, 464 с.

7. Н.Н.Майсова. Практикум по курсу общей физики. М.: Высшая школа, 1970, 448 с.

Лабораторный оптический комплекс ЛКО-3П

Рис.1. Общий вид лабораторной установки ЛКО-3П

Лабораторный оптический комплекс ЛКО-3П предназначен для постановки лабораторных работ по оптике в физическом практикуме вузов. Позволяет изучать закономерности геометрической оптики, интерференции, дифракции, поляризации, а также их применение к решению измерительных задач.

Общий вид установки ЛКО-3П приведен на рис.1. Каркас установки состоит из двух боковин 1.1, стянутых оптической скамьей 3, плитой-основанием 1.2 и задней стенкой 1.3. В задней части каркаса размещена кассета с объектами. Вдоль каркаса размещена оптическая скамья 3, состоящая из двух рельс со шкалой (линейкой) с ценой деления 2 мм. Оптическая ось установки расположена симметрично относительно оптической скамьи на высоте 45 мм от верхнего края рельс.

Излучатель 6 (лазер в держателе с 5 степенями свободы) установлен на оптической оси установки над оптической скамьей. С помощью отражателя микропроектора исследуемое излучение направляется на экран, расположенный на задней стенке каркаса.

На задней стенке каркаса размещен экран 1.4. Он содержит шкалу длиной 73 см с ценой деления 1мм. Ноль шкалы экрана расположен напротив ноля линейки оптической скамьи (смещение не более 1 мм). Над шкалой изображены два визирных креста с координатами 13,0 и 70,0 см, используемые при настройке установки. Центры крестов на­ходятся на уровне оптической оси установки.

Схема излучателя приведена на рис.2. Лазер, смонтированный со схемой стабилизации тока в оправе 5, вставлен в трубу 7, закрепленную подвижно в корпусе 3. Корпус установлен на двух стойках 11. Двумя передними винтами 6 и двумя задними винтами 2 лазер можно перемещать относительно корпуса, подбирая нужное положение и направление пучка излучения. Поляризация излучения – линейная. Плоскость колебаний вектора Е параллельна оси рукоятки 4, с по­мощью которой лазер поворачивается вокруг оптической оси. Насадка 9 с рассеивающей линзой 10 (объект 42) позволяет получить расходящийся пучок излучения. Насадка крепится на трубе излучателя винтом 8. Питание подается через разъем 1.

Рис. 3.

В комплексе ЛКО-3П установлен регулируемый стабилизированный источник тока для лазерного излучателя (рис.3). Разъем питания лазера соединен кабелем с разъемом «ЛАЗЕР» источника тока. К разъему питания «ПИТ» источника тока подключен переносной блок питания.

Ручкой «ТОК» регулируют ток лазера в пределах 20 – 60 мА. Для измерения тока измеряют выведенное на гнезда “U/R” напряжение U на резисторе R=100 Ом, включенном последовательно с лазером. Ток лазера I=U/R.

Функциональные модули

При выполнении лабораторных работ на комплексе ЛКО-3П используются 8 функциональных модулей.

Функциональные модули размещены и установлены на рейтерах (двухкоординатном и поворотном держателях). Рейтеры обеспечивают установку модулей на оптической скамье и перемещение модулей вдоль оптической скамьи. Держатели обеспечивают юстировочные перемещения модулей. Номера модулей нанесены на их корпусах.

Рис. 4.

Двухкоординатный держатель (рис.4) состоит из корпуса 1 и обоймы 2, удерживаемой пружинами 3 и перемещаемой двумя винтами 4 и 5 в пределах 2 мм от среднего положения по горизонтали и по вертикали. Корпус закреплен на рейтере 6. обойма может поворачиваться на произвольный угол округ горизонтальной оси (оптической оси установки). Такие держатели имеют модули 5,6,8.

Рис. 5.

Поворотный держатель (рис.5) состоит из корпуса 1 и обоймы 2, соединенной с круговой шкалой 3. Поворот обоймы вокруг оси О-О производится рукояткой 4. Отсчет угловых координат производится по основной шкале 3 (цена деления 2⁰) и нониусу 5 (цена деления 0,5⁰). Рычаг 6 поворачивают до совпадения его горизонтальной риски с одним из делений основной шкалы и снимают отсчет по нониусу. Таким методом можно снимать отсчеты с разрешением 0,1⁰ при погрешности порядка 0,2⁰. Углы поворота определяют как разности угловых координат.

Для введения модуля в оптическую схему следует поставить соответствующий рейтер на оптическую скамью. При необходимости рейтер может быть закреплен на оптической скамье винтом.

На рейтерах нанесены риски, определяющие положение характерных точек модулей и позволяющие определять координаты этих точек, по шкале оптической скамьи.

Рис. 6.

Модуль 2 (микропроектор, рис.6) предназначен для наблюдения на экране установки мелкомасштабных распределений интенсивности и изучаемых объектов, а также для измерения размеров объектов и распределений интенсивности.

На рис.6 приведен вид сверху на этот модуль, установленный на оптической скамье 2. Объекты или распределения интенсивности, расположенные в объектной плоскости кассеты 1, изображаются линзой 3 на экране 6. Необходимый для этого поворот пучка осуществляется отражением от зеркала 8, закрепленного на кронштейне 9.

Для наблюдений в прямом пучке кронштейн 9 с зеркалом можно снять, отвернув два винта 7.

Расстояние b=30 мм полезно знать при «нацеливании» изображения на нужную точку экрана с соблюдением перпендикулярно отраженного пучка по отношению к оптической оси.

Рис. 7.

Модуль 5 (конденсор, рис.7) содержит короткофокусную линзу 1 и экран 2, расположенный в фокальной плоскости линзы и установленный посредством обоймы 3 в двухкоординатном держателе 4. На экране нанесена двухкоординатная шкала 5. Пучок лазерного излучения собирается в фокусе линзы F, формируя «точечный источник» в плоскости экрана.

Рис. 8. Рис. 9.

Модуль 6 (объектив, рис.8) содержит тонкую линзу с фокусным расстоянием F=+100 мм в двухкоординатном держателе. Предназначен для формирования пучков излучения (как правило, совместно с модулем 5) и для опытов по геометрической оптике.

Модуль 8 (рис.9) содержит кассету для установки экранов с изучаемыми объектами в двухкоординатном держателе.

Рис. 10. Рис. 11.

Модуль 10 (рис. 10) содержит кассету, а модуль 12 (рис.11) – поляризатор, которые могут поворачиваться вокруг оптической оси установки. Плоскость поляризатора (т.е. плоскость колебаний вектора E излучения, прошедшего через поляризатор) установлена параллельно направлению рукоятки 1 шкалы поворотного держателя.

Рис. 12.

Модуль 13 (стол поворотный, рис.12) предназначен для установки объектов с возможностью поворота вокруг вертикальной оси, а также для отсчета угловых координат и углов поворота. Поворот стола производится ручкой 1. Отсчет угловых координат производится по основной шкале 2 (цена деления 2⁰) и нониусу 3 (цена деления 0,5⁰). Рычаг 4 поворачивают до совпадения его вертикальной риски с одним из делений основной шкалы и снимают отсчет по основной шкале. К полученному значению прибавляют отсчет по нониусу. Таким методом можно снимать отсчеты с разрешением 0,1⁰, при погрешности порядка 0,2⁰. углы поворота определяют как разности угловых координат. Объекты вставляют в кронштейны 5; винтом 6 регулируют наклон платформы стола и установленного на столе объекта.

Набор объектов

При выполнении лабораторных работ помимо функциональных модулей используется также ряд объектов. Большая часть объектов – тонкие пластины, пленки или линзы, расположенные в средней плоскости соответствующего экрана. При установке экрана в кассету функционального модуля эта плоскость оказывается напротив риски рейтера или иной характерной отметки на модуле. Тем самым определяется координата объекта на оптической скамье.

Объект №1 – сетка с шагом 1 мм, используется для калибровки увеличения оптических устройств.

Объект № 5 – плоскопараллельная стеклянная пластина толщиной 4-8 мм. Точное значение толщины указывается в описании работы или определяется самостоятельно.

Объекты № 15-24 и 27-36 – пленки с определенным распределением коэффициента пропускания. Качество пленок соответствует требованиям голографии. Пленки чувствительны к механическим воздействиям и их нельзя трогать пальцами.

Объект № 25 – раздвижная щель.

Объект №38 – фотодатчик, содержит фотодиод в светонепроницаемой оправе с входным окном. Датчик установлен на стандартном экране размерами 40Х80 мм, который вставляется в кронштейны поворотного стола, при этом окно датчика оказывается на уровне оптической оси установки. Фототок измеряют в режиме «короткого замыкания» датчика.

Объект № 39 – пластина слюды толщиной 30 – 60 мкм. В плоскости пластины находятся две главные оси кристалла, соответствующие показателям преломления n₁=1,59, n₂=1,594.

Объект №44 – кювета для жидкостей. Предназначена для изучения оптических явлений при прохождении света через жидкость. Длина столба жидкости равна 120 мм. Для заполнения жидкостью отворачивают крышку кюветы, снимают защитное стекло и наливают жидкость так, чтобы получить слегка выпуклый мениск. Затем кладут стекло на мениск и завинчивают без воздушных пузырей.

Объект № 45 – свободный экран, в который можно установить интересующий объект. Белая наклейка со шкалой служит экраном при наблюдениях в прямом пучке лазера.

Настройка установки

Настройка заключается в фиксации лазерного луча и центров оптических элементов на оптической оси установки, расположенной на высоте 40 мм от верхней плоскости рейтеров. Совместную настройку группы оптических элементов называют юстировкой. Индикатором юстировки является микропроектор. Положение оптической оси после юстировки определяется положением центра линзы микропроектора.

Грубая юстировка. Поворотом винтов на корпусе лазера установите трубу с лазером в средней части корпуса и направьте пучок излучения вдоль оптической скамьи.

Точная юстировка. Установите микропроектор в положение с координатой риски 10,0 см, при этом точка выхода пучка после отражения от зеркала будет иметь координату 13,0 см и окажется напротив левого визирного креста экрана. Поворотом передних – считая от точки испускания излучения – винтов лазера совместите центр светового пятна с визирным крестом на экране. Отодвиньте микропроектор до положения с координатой риски 67,0 см, при этом точка выхода пучка после отражения от зеркала будет иметь координату 70,0 см и окажется напротив правого визирного креста экрана. Поворотом задних винтов излучателя совместите центр светового пятна с центром визирного креста. Операцию точной юстировки повторите 2-3 раза, пока смещение светового пятна от номинального положения при перемещении микропроектора не окажется меньше радиуса этого пятна.

При установке на рельс каждого нового оптического элемента прежде всего, с помощью винтов держателя этого элемента, добивайтесь возвращения центра пятна на экране в то же место, что и при юстировке лазерного луча. Это означает, что центр оптического элемента находится на оптической оси установки, и можно приступать к эксперименту или размещать на рельсе следующие элементы. В процессе эксперимента можно, смещая элементы винтами двухкоординатных держателей, перемещать картину на экране в положение, удобное для наблюдений или измерений.

Лабораторная работа №1