- •Кафедра физики волновая оптика Комплекс к-314.2
- •Кемерово 2010
- •Изучение интерференции света с помощью бипризмы Френеля
- •1.3. Экспериментальная установка и методика измерений
- •1.4. Выполнение работы
- •Исследование интерференционных колец равного наклона для определения показателя преломления стекла
- •2.3. Описание экспериментальной установки и методика проведения работы
- •2.4. Выполнение работы
- •Применение дифракции света для определения длины волны и диаметра мелких частиц
- •3.3. Описание установки и методики измерений
- •3.4. Порядок выполнения работы
- •Измерение длины волны в спектре с помощью дифракционной решетки и гониометра
- •4.3. Описание лабораторной установки и методики измерений
- •4.4. Порядок выполнения работы
- •Зонная пластинка и киноформная линза
- •5.3. Теоретическое введение
- •5.4. Описание эксперимента
- •Изучение закона Малюса
- •6.3. Описание установки
- •6.4. Теоретические положения
- •6.5. Выполнение работы
- •Волновая оптика Комплекс к-314.2
Зонная пластинка и киноформная линза
5.1. Цель работы: экспериментально изучить фокусирующее свойство киноформной линзы как зонной пластинки.
5.2. Подготовка к работе: ознакомиться с данным описанием лабораторной работы и изучить §§ 176, 177 в учебнике [1], § 40 в [2]. В результате подготовки нужно знать:
а) принцип Гюйгенса – Френеля;
б) формулу для радиуса внешней границы -й зоны Френеля;
в) принцип действия зонных пластинок – амплитудной и фазовой;
г) преимущества киноформной линзы перед амплитудной зонной пластинкой;
д) способы определения фокусного расстояния киноформной линзы.
5.3. Теоретическое введение
Зонная пластинка (ЗП) представляет собой экран с чередующимися прозрачными и непрозрачными кольцами – зонами Френеля (рис. 5.1). В настоящее время ЗП относится к большому классу так называемых дифракционных оптических элементов (ДОЭ), работа которых основана на дифракции света. В ДОЭ входят дифракционные решетки для спектральных исследований, расщепители световых пучков, фокусаторы лазерного излучения, концентрирующие его в тонкие линии или в заданные области пространства и т. д.
ЗП по своему действию подобна линзе (точнее говоря, сразу нескольким линзам, «вложенным» в одну апертуру). Если направить на ЗП монохроматический свет с длиной волны от точечного источника, находящегося на расстоянии от пластинки, то на экране, расположенном на расстоянии , будет наблюдаться ярко освещенная точка – изображение источника. Это объясняется тем, что вторичные световые волны от соседних прозрачных зон Френеля придут в данное место с разностью хода в и усилят друг друга. Относительное расположение ЗП, источника и его изображения связаны с радиусами зон Френеля и их номерами = 1, 2, 3, … известной формулой:
. (5.1)
Ее нетрудно преобразовать к виду:
, (5.2)
где
. (5.3)
Формула (5.2) аналогична формуле тонкой линзы, и величину можно считать фокусным расстоянием, а саму ЗП – дифракционной линзой. Характерной особенностью ЗП по сравнению с линзой является то, что фокусное расстояние сильно зависит от длины волны (хроматизм). Фокусирующее действие ЗП будет наблюдаться и тогда, когда разность хода между лучами из прозрачных зон равна , , …, т. е. в каждом светлом кольце будет по 3, 5 и т. д. зон Френеля. Следовательно, для каждого монохроматического света ЗП имеет несколько фокусов. Это аналогично существованию максимумов различных порядков у дифракционных решеток. Правда, интенсивность света в фокусах высшего порядка сильно убывает с ростом номера порядка фокуса.
ЗП можно усовершенствовать, заставив «работать в фазе» четные и нечетные зоны Френеля. Для этого нужно каким-либо образом ввести для каждой четной зоны дополнительный фазовый набег, равный . Можно изготовить профилированную (фаз овую) ЗП, имеющую разную толщину четных и нечетных колец (рис. 5.2). В этом случае яркость изображения увеличится примерно в 4 раза. Еще лучше изготавливать ЗП, у которых фаза выходящей световой волны в пределах каждой зоны изменяется плавно. Тогда устраняются вторичные фокусы и, как следствие этого, существенно повышается яркость в основном фокусе. Этой цели удовлетворяет ЗП с криволинейным (параболическим) профилем толщины зон, показанная на рис. 5.3. Такая ЗП, называемая киноформной линзой (КЛ), собирает весь падающий на нее свет в точку (точнее, в малой окрестности этой точки). Благодаря уникальным фокусирующим и абберационным свойствам эти плоские растровые линзы находят сегодня все более широкое применение практически во всех областях, где требуется оптика. Достаточно упомянуть приборы и устройства, рассчитанные на лазерное излучение (например, головки для записи и считывания в оптических приводах СD и DVD-форматов), объективы и окуляры для видимого и ИК-диапазонов, телескопы, микроскопы и фотоаппараты. Киноформные линзы используются в проекционной аппаратуре, прожекторах и автомобильных фарах.