background image

 

INSTYTUT METROLOGII I INŻYNIERII BIOMEDYCZNEJ 

 

Politechniki Warszawskiej 

 
 
 
 
 

Laboratorium Podstaw Metrologii 

 
 

Semestr I 

 
 
 
 
 
 
 
 
 

Ćwiczenie nr 6 

 
 

Wykorzystanie dyfrakcji światła laserowego do pomiaru średnicy             

cienkiego drutu  

 
 
 
 
 
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Warszawa 

background image

Wykorzystanie dyfrakcji światła laserowego do pomiaru średnicy cienkiego drutu  
 
Opracował:  
prof. nzw. dr hab. inż. Ryszard Jabłoński, prof. nzw. dr hab. inż. Roman Szewczyk 
 
1.

 

Cel ćwiczenia 

Celem  ćwiczenia  jest  zapoznanie  się  z  wyznaczaniem  błędu  pomiaru  pośredniego    na 

przykładzie  pomiaru  średnicy  cienkiego  drutu  z  wykorzystaniem  zjawiska  ugięcia 
promieniowania  koherentnego  na  krawędziach  przedmiotu  oraz  zaznajomienie  się  z 
możliwościami laserowych technik pomiarowych.  

 
 

2.

 

Wprowadzenie teoretyczne 

 
Dyfrakcja  powstaje  na  skutek  ugięcia  fali  elektromagnetycznej  na  krawędziach 

przysłony.  Wynikiem  tego  zjawiska  jest  rozkład  intensywności  zwany  obrazem 
dyfrakcyjnym,  który  w  istotny  sposób  zależy  od  kształtu  i  wymiarów  przysłony.  Dla 
poszczególnych rodzajów przysłon, takich jak szczeliny, otwory, siatki itp. istnieją zależności 
matematyczne  otrzymane  na  gruncie  teorii  dyfrakcji  Kirchoffa  umożliwiające  ścisłe 
powiązanie  pomiędzy  wymiarami  przysłony  a  rozkładem  intensywności  jej  obrazu 
dyfrakcyjnego. Zależności te wykorzystuje się w celach pomiarowych.  

Zwykle  mierzy  się  odległość  pomiędzy  wybranymi  punktami  ekstremalnymi  rozkładu 

dyfrakcyjnego,  a  znając  długość  fali  światła  i  odległość  przysłony  od  ekranu,  na  którym 
obserwowany jest obraz dyfrakcyjny, można obliczyć wymiar mierzonego przedmiotu. 

2.1. Dyfrakcja na szczelinie, drucie, taśmie 

 
Z teorii dyfrakcji wynika, że dla nieskończenie długiej szczeliny ustawionej równolegle 

do osi  Xp  (Rys. l), rozkład intensywności wzdłuż osi   y opisuje zależność: 

 

 

 
J

-  intensywność w punkcie y = 0 

d - szerokość szczeliny  

λ

 - długość fali światła  

α

 - kąt dyfrakcji 

2

sin

sin

sin

=

α

λ

πd

α

λ

πd

J

J

o

(1) 

background image

 

Rys. l. Dyfrakcja na szczelinie: Xp, Yp - płaszczyzna przedmiotu, x, y - płaszczyzna obrazu, d 

– szerokość szczeliny, b - odległość płaszczyzny przedmiotu od płaszczyzny obrazu, 

α

 - kąt 

dyfrakcji, a

n

 - odległość między symetrycznie położonymi minimami rozkładu dyfrakcyjnego 

 

Zgodnie  z  zasadą  Babineta  rozkład  dyfrakcyjny  szczeliny,  przysłony  typu  otwartego, 

jest tożsamy z rozkładem dyfrakcyjnym pochodzącym od przysłony typu zamkniętego, takiej 
jak  drut  czy  taśma.  Oznacza  to,  że  wyprowadzone  poniżej  zależności  dotyczyć  będą 
jednakowo szerokości szczelin jak i średnicy drutów czy szerokości taśm. 
Rozkład intensywności opisany zależnością (l) osiąga minima dla warunku: 

 

gdzie n - jest rzędem ugięcia  
 
Wiedząc, że kąt dyfrakcji: 

gdzie:   a

n

 - odległość między symetrycznie położonymi minimami rozkładu 

dyfrakcyjnego rzędu n 

  b - odległość mierzonego elementu od ekranu, na którym obserwowany jest 

obraz dyfrakcyjny 

szukany wymiar  d  określa zatem wzór: 

 

(2) 

 

(3) 

2b

a

n

arctg

=

α

2b

a

arctg

n

sin

n

d

λ

=

(4) 

π

±

=

α

λ

π

n

sin

d

background image

Dla małych kątów ugięcia można przyjąć uproszczoną postać wzoru: 

zwykle stosowaną w pomiarach warsztatowych.  

 

2.2. Dyfrakcja na otworze 

 
Rozkład intensywności w płaszczyźnie obrazu dyfrakcyjnego kołowego otworu 

 (Rys. 2) opisuje zależność: 

 

gdzie: Fi - funkcja Bessela pierwszego stopnia pierwszego rodzaju  

Rozkład ten osiąga minimum, gdy funkcja  Fi  zeruje się: 

Fi(z)=0,  

a ma to miejsce dla następujących wartości argumentu  z

Z

1

=3,83171 

Z

2

=7,01559 

Z

3

=10,17347 

Z

4

=13,32369  

Z

5

= 16,47063 

Ogólnie można to zapisać w postaci: 

 
 

 
gdzie: Z

n

 - n-ta wartość argumentu funkcji Bessela, dla którego Fi(z

n

) = O  

D

n

 - średnica n-tego pierścienia minimum dyfrakcyjnego 

 
Z zależności powyższej można wyznaczyć wartość szukanej średnicy otworu kołowego: 

 
 

 

 

n

a

nb

2

d

λ

=

2

1

sin

sin

=

α

λ

πd

α

λ

πd

2F

J

J

o

o

o

2b

D

n

arctg

sin

d

sin

d

z

o

o

n

λ

π

=

α

λ

π

=

(5) 

(6) 

(7) 

(8) 

background image

 
Dla małych rzędów ugięcia można przyjąć zależność upraszczającą: 
 

 
 

 
Rys. 2. Dyfrakcja na otworze: Xp, Yp - płaszczyzna przedmiotu, x, y - płaszczyzna obrazu, d

o

 

- średnica otworu,  
            b - odległość płaszczyzny przedmiotu od płaszczyzny obrazu, 

α

 - kąt dyfrakcji, D

n

 - 

średnica pierścienia  
            minimum dyfrakcyjnego 
 
 
2.3.

 

Niepewność pomiaru w pomiarach pośrednich 

 
Przyjmijmy, że pomiar wartości y realizowany jest pośrednio, poprzez pomiar wartości x

1

, x

2

… x

n

, zaś wartość y wyznaczana jest z zależności: 

 

y = f(x

1

, x

2

, … , x

n

)    

 

 

 

 

(11) 

 
W takim przypadku niepewność e

y 

pomiaru y można wyznaczyć z zależności: 

 

2b

D

n

arctg

sin

z

d

n

o

π

λ

=

n

n

o

D

z

b

2

d

π

λ

=

(9) 
 

(10) 
 

background image

  

 

 

(12) 

 
 
gdzie: 
 

 

- to pochodna cząstkowa funkcji y po x

i

     
e

xi

 – niepewność wyznaczenia wartości x

i

 
 
 
3.

 

Opis stanowiska 

 
W ćwiczeniu wykorzystuje się stanowisko badawcze zbudowane na stole optycznym. 
Stanowisko składa się z trzech zespołów: 
-

 

koherentnego źródła światła (lasera He-Ne) zamocowanego w specjalnym uchwycie  

-

 

zespołu mocującego element mierzony (cienki drut) 

-

 

specjalnego ekranu do obserwacji rozkładu dyfrakcyjnego i pomiaru odległości między 
minimami 

 
Istnieje możliwość zmiany odległości pomiędzy zespołami, a tym samym pomiędzy laserem i 
przedmiotem mierzonym oraz ekranem. 
 

4.

 

Wykonanie ćwiczenia i opracowanie wyników 

1)

 

Przeprowadzić adjustację układu pomiarowego. Zamocować mierzony obiekt.  

2)

 

Dla  trzech  położeń  b  ekranu  zmierzyć  średnicę  d  przedmiotu  z  wykorzystaniem 
pierwszego, drugiego, środkowego i ostatniego widocznego prążka dyfrakcyjnego. 

3)

 

Wyznaczyć  niepewność  e

d

  każdego  z  pomiarów  d  korzystając  z  zależności  na 

niepewność w pomiarach pośrednich. 

4)

 

Wskazać optymalne warunki pomiaru, w których pomiar d obciążony jest najmniejszą 
niepewnością. 

 

6. Treść sprawozdania 

W sprawozdaniu należy zamieścić: 

1)

 

Schemat układu pomiarowego z oznaczeniami stosowanymi w obliczeniach 

2)

 

Protokół pomiarów 

background image

3)

 

Wyniki obliczeń 

4)

 

Wnioski dotyczące możliwości zwiększenia dokładności pomiaru. 

 
 
Literatura
 
 

1.

 

J. R. Taylor: Wstęp do analizy błędu pomiarowego. Wyd. Nauk. PWN, Warszawa 1995  

2.

 

J. Arendarski: Niepewność pomiarów. Oficyna Wyd. P W, Warszawa, 2003  

3.

 

L.  W.  Sawieliew,  Wykłady  z  fizyki  Tom  2  (Elektryczność  i  magnetyzm.  Fal.  Optyka) 
Wyd. Nauk. PWN, Warszawa 1998 

4.

 

J. Jaworski, R. Morawski, J. Olędzki: Wstęp do metrologii i techniki eksperymentu. W N-
T, Warszawa 1992  

5.

 

R. Jóźwicki, Optyka laserów, WNT, Warszawa, 1981  

6.

 

P. H. Sydenham: Podręcznik metrologii. Wyd. Komunikacji i Łączności. Warszawa 1990