レーザー光による回折・干渉現象

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    レーザー光による回折・干渉現象
    「目的」
    ヘリウム・ネオンレーザーを用いて、光の回折・干渉の現象を観測する。(レーザーとは可視光領域の電磁波発振器あり、レーザー光の単色光・指向性・干渉性を利用して実験を行う)
    ●光の回折
    「測定の原理」
     
     
    上図に示すようにスリットに光を当てるとそれからL(㎝)だけ離れたスクリーン上のO点にスリットの明るい像ができる。スリットの幅を狭くしていくとこの像はスリットの幅よりも広がって幅のぼやけた像になる。つまり平行光線は直進せず陰の部分へも入り込んでくる。それだけでなく、O点を挟んでその両側に弱いけれど明るい部分が観測されるようになる。
     このように光がスリットの陰の部分にも入り込んでくる現象を回折という。回折した光の強度分布は以下の式で表される。
     ここでd(㎝)はスリット幅、λ(㎝)は光の波長、θは直線光線と回折光線のなす角である。上式で表される回折光の強度分布の概略を上図の右側に示す。直進光線が進むスクリーン上の点Oを中心にして左右対象な分布になる。
     強度の最大値(O点)の半分の値をとる値を半幅値といい、像の広がりの目安を表す。半幅値は角度で⊿θ、スリットからLだけ離れたスクリーン上での像の広がり⊿Wによって表され、θが小さいとき、
    となる。光の波長λに比べスリット幅dが十分に大きければ、⊿θ・⊿Wは極めて小さく、従って光は直進する。しかしスリットの幅dが狭くなると像の広がりが無視できなくなり、同時に最初の図のO点を中心に回折光の明暗の交替が見られるようになる。一般にn番目の暗い部分の間隔⊿Wは⊿W=                 になる。従って、隣接する暗い部分からはスクリーン上で等間隔(D)に並び、
    D=                   になる。(ただしn≧1)
    「装置」
    He‐Ne レーザー、レーザー台、可変スリット、巻尺、金杓、グラフ用紙、読み取り顕微鏡、ルーペ
    「結果」
    実験結果は別紙のグラフ用紙にある。
    「解析と考察」
    スリットの幅を広めたり狭めたりして、スクリーン上のパターンを観察した。幅を広くすると明暗の境目が見え辛く、間隔は狭く、パターンは小さい。幅を狭くすると明暗の境目がはっきり見え、間隔は広くなりパターンは大きい。以上のことは「測定の原理」で前述した式     によって示され、よって結果と結論は一致した。
    (別紙3・3-1)
    トレースした回折パターンから、⊿Wをn=1,2,3,4まで測定し、横軸n、縦軸⊿Wのグラフを描いた。(別紙3・3-2)  前述の式 
    ⊿W=    より、スリット幅d(㎝)を求めた。このとき測定したL=112.2であった。グラフより、傾き=⊿W/nだからこれらに平均値を代入し、d=
    実験に使ったスリットの幅を顕微鏡で測定した。その値は86.82-86.77=0.005(㎝)であり、誤差が生じた。この主な原因はトレースの正確性に問題があったからだと考えられる。
    二次元的に制限したピンホールにレーザー光を通した。すべてがはっきり見えたわけではないが同心円状のパターンが見られた。(別紙3・3-4)これは一次元のスリットがあらゆる方向にあると考えれば説明がつく。
    ●光の干渉
    「測定の原理」
     二つ以上の波が一点に達したときそれらが強めあったり、弱めあったりする現象を波の干渉という。
     ここでは回折格子によるレーザー光の干渉を扱う。まず平行光線が格子面に直角に当たる透過光の場合を考える。
    右図に示すように、格子の溝の間隔をdと
    し、光の直進方向(Z方向)に対してθだ

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    レーザー光による回折・干渉現象
    「目的」
    ヘリウム・ネオンレーザーを用いて、光の回折・干渉の現象を観測する。(レーザーとは可視光領域の電磁波発振器あり、レーザー光の単色光・指向性・干渉性を利用して実験を行う)
    ●光の回折
    「測定の原理」
     
     
    上図に示すようにスリットに光を当てるとそれからL(㎝)だけ離れたスクリーン上のO点にスリットの明るい像ができる。スリットの幅を狭くしていくとこの像はスリットの幅よりも広がって幅のぼやけた像になる。つまり平行光線は直進せず陰の部分へも入り込んでくる。それだけでなく、O点を挟んでその両側に弱いけれど明るい部分が観測されるようになる。
     このように光がスリットの陰の部分にも入り込んでくる現象を回折という。回折した光の強度分布は以下の式で表される。
     ここでd(㎝)はスリット幅、λ(㎝)は光の波長、θは直線光線と回折光線のなす角である。上式で表される回折光の強度分布の概略を上図の右側に示す。直進光線が進むスクリーン上の点Oを中心にして左右対象な分布になる。
     強度の最大値(O点)の半分の値をとる値を半幅値といい、像の広がりの目安を表す。半幅値は角度で⊿..

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