Измерение длины волны лазера: 4 шага (с изображениями)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:52

Всем привет, добро пожаловать в очередной поучительный! На этот раз я хотел сделать по-настоящему простой инструктаж, который можно было бы выполнять как вечерний проект, так и проект выходного дня. Продолжая изучать спектрофотометрию, я экспериментировал с дифракционными решетками и монохроматорами и наткнулся на «эксперимент Юнга с двойной щелью». Это захватывающее наблюдение о том, как свет распространяется (волнами), и показывает эффект дифракции для разных длин волн света.

Я решил попробовать повторить эксперимент, чтобы узнать, как он работает с некоторыми лазерными указками, и посмотреть, смогу ли я заставить эксперимент работать.

Шаг 1. Предпосылки и безопасность

Лазеры - это действительно круто, но прежде чем мы продолжим, одно предупреждение! Взгляд на лазер или сильный коллимированный луч может ослепить вас. По возможности я бы порекомендовал использовать защитные очки с цветным фильтром, чтобы избежать повреждения глаз паразитными лучами.

Лазерные указки часто продаются как «игрушки для кошек», и конечно, я люблю дразнить этим кошку, но я нашел зеленую очень сильной (почти слишком яркой, чтобы на нее смотреть). Они также заявляют, что их мощность меньше 5 мВт, но я обнаружил большое несоответствие между интенсивностями каждого цвета (я могу сделать измеритель оптической мощности, чтобы измерить это в отдельной инструкции?). Я сомневаюсь, что этикетка соответствует действительности, что мы скоро обнаружим, измерив длины волн.

Для эксперимента я купил следующие материалы:

• лазерные указки x3 (красный, зеленый, синий)
• Стенд для реторты
• Слайд дифракционной решетки (500 линий на мм)
• Бумага и ручки
• Грипсы для бульдогов
• Измерительная линейка
• Безопасные очки

Шаг 2: Настройка оборудования

Стенд следует установить так, чтобы лазерный указатель был направлен вниз на дифракционную решетку. Лазер пройдет через решетку и будет проецироваться на лист бумаги внизу (на экране). Чтобы настроить это, выполните следующие простые шаги:

1. Поместите лист бумаги внизу подставки, чтобы получился экран.
2. Установите нижний рычаг ретортной стойки примерно на 10 см выше стойки.
3. Прикрепите дифракционную решетку к нижнему рычагу и закрепите бульдожьей рукояткой.
4. Расположите верхнее плечо над дифракционной решеткой (расстояние над решеткой не имеет значения)
5. Прикрепите лазер к плечу так, чтобы он был направлен так, чтобы луч проходил через дифракционную решетку.
6. Наденьте свое защитное снаряжение, и тогда вы готовы стрелять из лазеров!

Шаг 3: эксперимент

Чтобы определить длину волны лазера, вам нужно измерить расстояние между полосами. Для этого следуйте этому методу:

1. Когда лазер попадает на бумагу (экран), запишите ручкой, где появляются световые пятна (они называются пальцами). Убедитесь, что вы записали средний и те, которые были с обеих сторон.
2. Повторите шаг 1 для каждого цвета, отмечая бахрому на бумаге.
3. После того, как вы сделаете это для всех лазеров, измерьте расстояние между средней полосой и первой полосой рядом с ней (это называется полосой 1-го порядка).

(Вы заметите несоответствие между изображением и тем, что я записал в своих результатах позже. Это потому, что я проделал это несколько раз, чтобы определить погрешность измерения).

Но как это связано с длиной волны? Уравнение имеет вид лямбда = (a * x) / d, где lambda - длина волны в метрах, a - расстояние между щелями дифракционной решетки, x - расстояние между полосами, d - расстояние между экраном и решеткой. Все это вы можете подставить в уравнение, чтобы получить длину волны.

Но вы можете спросить: «Откуда мне знать, что такое« а »?». Что ж, если мы знаем, что решетка имеет 500 «линий» на мм, это означает, что на 1 м приходится 500 000 линий. Если мы разделим 1 м на 500 000 линий, мы получим расстояние между ними, которое составляет 2 мкм. Теперь вместе с x и d мы можем вычислить длину волны.

Помните, что все эти расстояния указаны в метрах. Длина волны обычно выражается в нанометрах (10 ^ -9 м), поэтому вам нужно будет подумать, хотите ли вы преобразовать свой ответ в нанометры или просто выразить, что это что-то, умноженное на 10 ^ -9.

Шаг 4: результаты

Я повторил этот эксперимент, чтобы получить приведенный выше график. В таблице вы видите две строки (минимальную и максимальную). Это максимальная и минимальная длины волн, которые указаны на самих лазерах, поэтому я приблизительно знал, какой должна быть длина волны, чтобы увидеть, правильно ли я получил ответ.

Глядя на расчеты, мои измерения не лежат в границах максимума и минимума, но, по крайней мере, они согласованы. Разница между измеренным и ожидаемым значением составила от 4% до 10%. Я не проводил полного измерения погрешности, но очевидно, что методы измерения будут вносить погрешность (т. Е. Измерение расстояния до экрана не идеально перпендикулярно и т. Д.). Я считаю, что даже с некоторой неучтенной ошибкой это точное представление реальных длин волн и прекрасно демонстрирует эксперимент с двойной щелью.

Если вам интересно увидеть полный набор результатов, я приложил файл Excel, который вы можете использовать для выполнения собственных измерений. Сейчас я играю с коллимирующими линзами и отражателями, дайте мне знать, если вы будете заинтересованы в инструкциях по этому поводу, и дайте мне знать, что вы думаете об этом кратком руководстве в комментариях.