Название: Дифракция, интерференция и поляризация света - Лабораторная работа (И. Г. Пальчикова)

Жанр: Технические

Просмотров: 1362


2.1.2. описание программы.

      Демонстрационная программа позволяет изучить расчётные пространственные спектры прямоугольного отверстия. Программное меню и значения клавиш объясняются на экране дисплея в начале программы и по команде help (клавиша H). Размеры отверстия Dx, Dy , длина световой волны l и расстояние до экрана z задаются в режиме диалога. Картина дифракции и график распределения интенсивности вдоль одной оси выводятся на экран. Положение курсора и величина интенсивности в выбранной точке  показываются в левой верхней части экрана в режиме «точка».

Задание 1.

      Изменяя параметры эксперимента получить спектр, вытянутый в одном направлении.

Задание 2.

      Задайте параметры Dx, Dy, расстояние z,  затем задайте l , и в режиме «точка» определите значение интенсивности на оси, координаты первых нулей и значение интенсивности в максимуме первого бокового лепестка,  запишите эти значения в таблицу в тетради. Затем не меняя Dx, Dy, z измените l (В видимом диапазоне l изменяется от  380 нм до 780 нм). Повторите не менее 10 раз. С помощью вычислений ответьте на вопросы:

1. Каким образом интенсивность на оси зависит от l (убедитесь, что )? Постройте график зависимости.

2. Зависит ли от l отношение интенсивностей в максимуме на оси и в максимуме первого бокового лепестка?

3. Постройте график зависимости ширины главного лепестка Dx0   от l.

2.2. Оптический эксперимент.

2.2.1. Цель работы: Наблюдение и исследование дифракционных явлений Фраунгофера на одной щели. Определение длины световой волны излучения по картине дифракции.

2.2.2. Оборудование.

      Схема установки показана на рис.4. Экспериментальная установка состоит из полупроводникового лазера 1, перестраиваемой по ширине щели - 2, сканирующего устройства на основе фотодиодной линейки -3 и экрана, который может помещаться перед сканером. В пучок излучения полупроводникового лазера помещается спектральная щель 2 . В плоскости наблюдения P находится линейка фотоприёмников или экран. Экран необходим для визуальных наблюдений и настройки схемы.

Рис.4. Схема экспериментальной установки.

      Пространственное распределение интенсивности дифрагированного света можно наблюдать на экране либо регистрировать с помощью линейки фотоприёмников.

Рис.5. Блок схема сканирующего устройства.

      Сканирующее устройство. Для ввода двумерных изображений в ЭВМ в данной работе используется сканирующее устройство, в котором основной фоточувствительный элемент -  линейка фотодиодов ЛФ 1024-25/1. Блок схема устройства показана на рис.5. Линейка  фотодиодов ЛФ - это микросхема, выполненная в виде одного кристалла кремния размером 25 мм х  4мм,  на  котором находится 1024 фотодиода размером 19х24 мкм, расположенных в одну линию с шагом 25 мкм. Линейка  выполнена по  МОП (Металл-окисел-полупроводник)-технологии. Это означает, что кроме фотодиодов на  том  же  кристалле  присутствуют МОП-транзисторы  (их  еще  называют  полевыми транзисторами с изолированным затвором), которые поочередно опрашивают элементы линейки фотодиодов. Опросив все элементы линейки, можно получить одну строку  изображения. Вторая  координата  изображения получается за счет сдвига линейки фотодиодов в  перпендикулярном  направлении  с  помощью винта  и шагового двигателя ШД. После каждого сдвига на 25 микрон производится накопление сигнала и считывание очередной  строки.

Рис.6. Схема подключения фотодиодов.

      Режим накопления сигнала заключается в следующем: первоначально по команде все фотодиоды ФД (см схему рис.6) одновременно подключаются на короткий промежуток времени  к  калиброванному опорному источнику напряжения U0 . При этом собственные емкости р-п переходов фотодиодов С заряжаются до напряжения U0 .  Затем ключи К1 размыкаются,  начинается разрядка диодов.  В процессе накопления сигнала за счет попадания фотонов света вблизи  р-п перехода создаются электронно-дырочные пары,  которые растягиваются в разные стороны электрическим полем р-п перехода и таким  образом  разряжают  емкость фотодиода С .  Через заданное время накопления tн на каждом из фотодиодов  напряжение  упадет тем сильнее, чем большее количество фотонов попало в р-п переход. Следующий этап - опрос накопленного сигнала - заключается в  быстром поочередном подключении каждого из фотодиодов с помощью ключей К2 к схеме,  измеряющей напряжение Uвых .  При  этом полное  время  опроса  всех  1024 диодов строки t0 много меньше времени накопления tн . Для преобразования аналогового напряжения Uвых в цифровой сигнал служит 12-разрядный Аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) (см.рис.5). Это означает, что он преобразует сигнал в 12-разрядные двоичные слова и минимально различимая градация сигнала составляет .

      Управление устройством и связь с ЭВМ. Блок управления (БУ) кроме аналого-цифрового  преобразователя  АЦП  содержит  блоки управления шаговым двигателем - УШД (см. рис.5) и управления накоплением-опросом фотодиодной линейки УНО,  которые через интерфейс И и коаксиальный кабель К связаны с печатной платой интерфейса РР1-4,  вставленной в компьютер  типа  IBM/PC.  Интерфейс  РР1-4 совместим по протоколу с распространенным стандартом КАМАК. По коаксиальному кабелю К обмен информацией происходит в обоих  направлениях. Поэтому на самом блоке сканера нет никаких регулировок- все управление осуществляется через компьютер.

      В случае применения объектива возможна съемка 3-х  мерных сцен  (в  пределах  глубины резкости), либо съемка 2-х мерных изображений с изменением масштаба. Следует помнить,  что  линейка  более  чувствительна  к инфракрасному излучению, чем к видимому (максимальная чувствительность для l = 0,9 мкм),  поэтому для естественного вида изображения (в видимом свете) при подсветке  объекта лампами накаливания следует применять специальный светофильтр, отсекающий ближний ИК-свет.

      Сервисные программы. Основная исполняемая программа - DIFLAB.EXE. Ее следует запустить путем активизации ярлыка «Дифракция на щели» на экране монитора персонального компьютера и далее выбирать режим работы из основного меню, расположенного в верхней части экрана.

      Основное меню.

      Клавиша F1 - вызывает на экран краткое описание работы.

      Клавиша F2 - запускает демонстрационную программу, позволяющую выполнять численное моделирование задачи. Краткое описание функциональных клавиш этой программы и ее возможностей дается на экране дисплея. Вычислительный эксперимент выполняется согласно заданиям. Выход из этой программы - клавиша F10  или  ESC.

      Клавиша F3 - запускает модуль программ для проведения эксперимента. Первый модуль - инициация сканера - выполняется сразу после нажатия клавиши. Совершайте действия согласно сообщениям программы. После завершения инициации устройство переходит в режим снятия сигнала. В этом режиме выполняются все экспериментальные задания. Используется полный динамический  диапазон линейки - 4096 градаций яркости. Программа позволяет выставить линейку на нужную позицию относительно центра отверстия - пункт меню "Позиция", управление производится клавишами ¬® (на 10 пунктов) и Ї­ (на 100 пунктов); установить время экспозиции -  пункт меню "Выдержка", управление производится клавишами PageUp и PageDown  и  провести сканирование - пункт меню "Измерение", управление производится клавишей Enter. После чего программа переходит в режим измерения полученного спектра. Кривая распределения интенсивности вдоль линейки будет изображена на экране.  По  оси  X будут располагаться  1024 элемента линейки,  а размах оси Y будет соответствовать максимальному сигналу  линейки. По команде F2 программа записывает это изображение в виде файла ASCII-формата. Результат запишется в обычный текстовый файл с таблицей. В левой колонке таблицы содержатся номера  фотоэлементов,  а в правой - результат измерений.  Данные в таком виде удобно обрабатывать с помощью программ, не связанных с устройством, например, ORIGIN или GRAPHER. Измерения  можно повторять меняя выдержку и условия эксперимента, используя клавишу F3. Клавиши F10 и ESC всегда возвращают вас в меню предыдущего уровня.

      Клавиша F4 - вызывает на экран контрольные вопросы.