POMIAR DŁUGOŚCI FAL ELEKTROMAGNETYCZNYCH METODAMI INTERFERENCYJNYMI

Cel ćwiczenia

Pomiar długości fali elektromagnetycznej za pomocą siatki dyfrakcyjnej, interferometru Fabry - Perota, układu ze zwierciadłem oraz interferometru Michelsona. Porównanie czterech metod i wskazanie najdokładniejszej.

Podstawy fizyczne

Jednym z podstawowych zjawisk w ruchu falowym jest interferencja, czyli efekt nakładania się fal. W wyniku tego nałożenia może wystąpić wzmocnienie natężenia fali wypadkowej (fale nakładają się w fazach zgodnych) lub osłabienie (nakładanie się fal o fazach przeciwnych). Aby zaobserwować to zjawisko fale muszą posiadać stałą w czasie różnicę faz, tzn. muszą być spójne. Fale mogą nakładać się konstruktywnie (wzmocnienie) lub destruktywnie (wygaszenie).

Osłabienie otrzymamy, gdy: (m+1) 

A wzmocnienie, gdy  = m

  długość fali

  różnica dróg

m - liczba naturalna

•Zasada działania interferometru Michelsona:

Rys1. Schemat układu pomiarowego z interferometrem Michelsona. O - źródło fal elektromagnetycznych, P - płytka półprzepuszczalna, Z₁ i Z₂ - zwierciadła, D - detektor fal elektromagnetycznych, S - soczewki skupiające, L - linijka

Wiązka fal elektromagnetycznych ze źródła pada na płytkę płasko równoległą, która przepuszcza połowę natężenia fali, a drugą połowę odbija. Wiązka przechodząca pada na prostopadłe do jej kierunku zwierciadła. Po odbiciu wraca tą samą drogą, odbija się od płytki i pada na detektor. Wiązka odbita pierwotnie od płytki pada prostopadle na zwierciadło wraca po odbiciu ta samą drogą, przechodzi przez płytkę i spotyka się z wiązką pierwszą w detektorze. Na skutek występowania różnicy dróg optycznych obu wiązek powstają prążki interferencyjne. Interferencja powstaje w obszarze, w którym obie wiązki biegną razem w stronę detektora. Przesuwając zwierciadło zmieniamy długość drogi optycznej wiązki odbijającej się od niego, a więc różnicę dróg obu wiązek. Detektor zarejestruje przesuwanie się prążków interferencyjnych. Jeśli w środku obrazu jedno maksymalne wzmocnienie zostanie zastąpione przez kolejne maksymalne wzmocnienie, oznacza to, że różnica dróg wiązek zmieniła się o jedną długość fali.

•Zasada działania interferometru Fabry-Perota

Rys.2. Schemat układu pomiarowego z interferometrem Fabrv-Perota. O - źródło fal elektromagnetycznych, P - pytki płaskorównoległe, D - detektor fal elektromagnetycznych. L linijka, R - pokrętło do regulacji odległości między płytkami

Interferometr Fabry - Perota składa się z dwu płytek, takich, że przepuszczają one część promieniowania, ale mają dużą zdolność odbijającą. Płytki te ustawiamy w ten sposób, że powietrze pomiędzy płytkami tworzy dokładnie płasko równoległą warstwę, czyli płytki są do siebie równoległe. Fale, które przez górną płytkę przedostają się do warstwy powietrza, ulegają wielokrotnym odbiciom od ścianek płytek. Jeśli na pierwszą płytkę pada wiązka fal, to z drugiej płytki wychodzi szereg równoległych wiązek. Należy wiec tak regulować odległość między płytkami, aby obserwować wzmocnienia i osłabienia fal.

•Zasada działania urządzenia z siatką dyfrakcyjną

Rys.3. Siatka dyfrakcyjna, a- szerokość szczeliny, b- szerokość przysłony

Siatką dyfrakcyjna to układ równoległych do siebie szczelin rozmieszczonych w równych odstępach. Niech a oznacza szerokość szczeliny, b szerokość odstępu między szczelinami. Odległość d środków sąsiednich szczelin nazywamy stalą siatki, a + b = d. Zgodnie z zasadą Huyghensa, każda szczelina staje się wtórnym źródłem fal, które rozchodzą się we wszystkich kierunkach. Wykonując ćwiczenie obracamy źródło fal dookoła siatki dyfrakcyjnej i mierzymy kąt obrotu, a ponieważ wzajemne wzmacnianie następuje, gdy:
możemy, więc obliczyć długość fali.

---