Образовательный набор для опытов на интерферометре Майкельсона

Описание

- Предназначен для использования в образовательных, демонстрационных и учебных аудиториях;

- Полный комплект Photonics включает все оборудование, кроме источника переменного тока для экспериментов по тепловому расширению (12 В, 2 А);

- Предоставляется обширное руководство и учебные материалы;

- Простота сборки и использования;

- Выберите учебные комплекты, содержащие компоненты в дюймовой или метрической системе.

Подробнее об образовательном наборе

- Постройте и изучите свойства интерферометра Майкельсона;

- Изучите второй выход интерферометра;

- Используйте интерферометр как чувствительный спектрометр;

- Создание интерференции белого света;

- Узнайте, как на образец интерференции влияет длина когерентности источника;

- Используйте интерферометр для измерения физических свойств материалов: показатель преломления пластин из оргстекла, коэффициент теплового расширения алюминиевого стержня.

Демонстрационный набор интерферометра Майкельсона Thorlabs выделяет несколько способов использования интерферометра для проведения высокочувствительных измерений. Лазер и светодиоды позволяют студентам изучить концепцию интерференции и изучить, как длина когерентности различных источников света повлияет на выходной сигнал интерферометра. Интерферометр можно настроить для создания интерференции белого света с помощью прилагаемого белого светодиода. Студенты также могут использовать лабораторную установку для определения показателя преломления пластин из оргстекла и коэффициента теплового расширения алюминиевого стержня.

Интерференция белого света, создаваемая обучающим комплектом интерферометра Майкельсона

Набор интерферометра Майкельсона Thorlabs позволяет студентам построить базовый интерферометр Майкельсона и использовать свою систему для измерения физических свойств лазерного источника и нескольких материалов. В комплект входят все компоненты, необходимые для создания работающего интерферометра, включая источники света, зеркала, светоделительный куб и экран. Руководство (доступно на веб-сайте Thorlabs и прилагается к каждому комплекту) включает объяснение теории, лежащей в основе каждого эксперимента, а также подробные инструкции.

Интерферометр Майкельсона

Учащиеся начинают с сборки и юстировки интерферометра, чтобы они могли наблюдать помехи, создаваемые разницей в длине пути в плечах интерферометра. Базовая установка состоит из источника зеленого лазера на кинематической опоре, светоделителя, одного зеркала, установленного на трансляционной платформе, второго зеркала в кинематической опоре на неподвижной стойке и экрана, как показано на схеме на рисунке 1.

Среди студентов распространено заблуждение, что свет от системы теряется, когда на экране просмотра наблюдаются помехи. Для решения этой проблемы в комплект поставки входит дополнительная светоделительная пластина, позволяющая учащимся наблюдать второй выход интерферометра, то есть свет, который возвращается к выходу лазера. Учащиеся могут видеть это, когда наблюдается яркое пятно в центре интерференционной картины от выхода первичного интерферометра, на выходе вторичного интерферометра есть темное пятно в центре. Свет просто перераспределяется, а не теряется в системе.

Схема пути луча в базовом интерферометре

Светоделительная пластина в системе

Крупный план обоих выходов интерферометра

Измерение длины волны и использование интерферометра в качестве спектрометра

Набор позволяет студентам определить длину волны включенного лазерного источника, а затем измерить разницу длин волн между двумя спектральными пиками в профиле излучения лазера. Для проведения первого эксперимента учащиеся подсчитывают количество переходов свет-темнота-свет, которые происходят при перемещении зеркала на заданное расстояние с помощью трансляционного крепления с микрометрическим приводом.

Затем студенты могут использовать интерферометр для определения расщепления пиков профиля лазерного излучения по длине волны. Поскольку лазер излучает одновременно на нескольких разных длинах волн, каждая длина волны будет создавать свою собственную интерференционную картину. При определенных различиях в длине пути между плечами интерферометра интерференционные картины двух пиков длин волн будут полностью перекрываться и будут видны с хорошим контрастом между темной и светлой полосами. Однако на определенных расстояниях яркие полосы одной интерференционной картины будут перекрываться с темными полосами другой интерференционной картины, создавая картину с низким контрастом. Измеряя изменение разницы в длине пути при изменении контраста от низкого к высокому и обратно к низкому, учащиеся могут вычислить разность длин волн между двумя пиками в спектре излучения лазера.

Длина когерентности и интерференция белого света

Интерферометр Майкельсона предоставляет собой интуитивно понятный способ исследования концепции длины когерентности: в этом контексте длина когерентности источника соответствует максимальной разнице в длине пути между плечами интерферометра, которая все еще позволяет наблюдать интерференцию. В этом наборе учащиеся могут использовать свою настройку для измерения длины когерентности красных и белых светодиодов. После установки светодиода в интерферометр учащиеся регулируют положение одного зеркала до тех пор, пока интерференционная картина не станет близкой к исчезновению. Длина когерентности должна быть примерно вдвое больше разницы в длине пути между двумя плечами интерферометра. Чтобы сравнить свои результаты с теорией, студенты могут затем вычислить предполагаемую длину когерентности на основе длины волны и ширины полосы источника.

После юстировки своей установки с помощью лазера и красного светодиода ученики могут поместить прилагаемый белый светодиод в установку для создания помех белого света.

Определение показателя преломления материала

В комплект входят две пластины из оргстекла толщиной 8 мм и 12 мм, поэтому студенты могут использовать интерферометр для измерения показателя преломления этого материала. Пластина из оргстекла помещается в одно из плеч интерферометра перпендикулярно пути луча. Поскольку пластина имеет другой показатель преломления, чем окружающий воздух, свет, проходящий через плечо интерферометра с пластиной, будет иметь другую эффективную длину оптического пути, чем свет в другом плече интерферометра. Если пластину вращать, толщина материала на пути луча увеличивается; в результате длина оптического пути, по которой свет проходит по этому плечу интерферометра, также изменяется. Изменение длины оптического пути можно определить путем подсчета количества переходов свет-темнота-свет в центре интерференционной картины при повороте пластины на заданный угол.

Измерение коэффициента теплового расширения

Последний эксперимент, проводимый с помощью набора, позволяет измерить коэффициент теплового расширения алюминиевого стержня. Стержень обернут фольгированным нагревателем и закреплен с зеркалом, прикрепленным к одному концу. Этот узел занимает место зеркала на конце одного из плеч интерферометра, и установка выровнена так, чтобы была видна интерференция. Датчик температуры вставлен с заднего торца алюминиевого стержня, позволяющий регистрировать температуру. Резистивный нагреватель подключен к источнику напряжения, нагревая стержень и заставляя его расширяться; это, в свою очередь, приводит к смещению положения зеркала. Учащиеся подсчитывают количество переходов от темного к светлому, которые происходят в центре интерференционной картины во время этого процесса, что соответствует изменению длины оптического пути, вызванному расширением стержня из-за нагрева. Коэффициент теплового расширения α можно рассчитать по количеству переходов свет-темнота-свет и изменению температуры.

Комплектация набора:

Примечания:

a. Комплекты интерферометров Майкельсона можно сделать портативными, используя аккумуляторную батарею CPS1 (продается отдельно) для питания модуля лазерных диодов или светодиодов;

b. Этот элемент не входит в метрический набор;

c. Этот предмет не входит в дюймовый набор.

Примечания:

a. Комплекты интерферометров Майкельсона можно сделать портативными, используя аккумуляторную батарею CPS1 (продается отдельно) для питания модуля лазерных диодов или светодиодов;

b. Этот нагреватель был модифицирован заглушками для простоты использования.

В каждом комплекте поставляются все необходимые материалы для сборки, в том числе ключи, отвертки и винты.