Meranie laserových vlnových dĺžok: 4 kroky (s obrázkami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 11:59

Ahoj všetci, vitajte pri ďalšom návode! Tentokrát som chcel urobiť skutočne ľahký návod, ktorý môžete urobiť ako večerný alebo víkendový projekt. V rámci svojho neustáleho učenia sa spektrofotometrie som experimentoval s difrakčnými mriežkami a monochromátormi a narazil som na „Youngov experiment s dvoma štrbinami“. Toto je fascinujúce pozorovanie toho, ako svetlo cestuje (vo vlnách), a odhaľuje účinok difrakcie pre rôzne vlnové dĺžky svetla.

Rozhodol som sa skúsiť replikovať experiment, aby som sám zistil, ako to funguje s niektorými laserovými ukazovateľmi, a uvidíme, či by som mohol tento experiment realizovať.

Krok 1: Predpoklady a bezpečnosť

Lasery sú naozaj skvelé, ale varovanie predtým, ako budeme pokračovať! Pohľad do laseru alebo silného kolimovaného lúča vás môže oslepiť. Pokiaľ je to možné, odporúčal by som používať farebne filtrované ochranné okuliare, aby ste zabránili tomu, aby vám bludné lúče poškodzovali oči.

Laserové ukazovátka sa často predávajú ako „hračky pre mačky“a priznávam, že týmto milujem svoju mačku dráždiť, ale zelená mi prišla veľmi silná (takmer príliš svetlá na to, aby som sa na ňu pozeral). Tiež tvrdia, že majú výkon menší ako 5 mW, ale zistil som veľký rozdiel medzi intenzitami každej farby (môžem vyrobiť optický merač výkonu, ktorý to zmeria v samostatnom návode?). Pochybujem, že sa označenie zhoduje s realitou, čo čoskoro odhalíme, keď zmeriame vlnové dĺžky.

Na experiment som kúpil nasledujúce materiály:

• 3x laserové ukazovátko (červené, zelené, modré)
• Retortový stojan
• Sklíčko difrakčnej mriežky (500 riadkov na mm)
• Papier a perá
• Buldogové úchytky
• Meracie pravítko
• Bezpečnostné okuliare

Krok 2: Nastavenie zariadenia

Stojan by mal byť nastavený tak, aby laserové ukazovátko smerovalo nadol k difrakčnej mriežke. Laser prejde mriežkou a bude premietaný na kus papiera v spodnej časti (obrazovka). Pri nastavovaní postupujte podľa týchto jednoduchých krokov:

1. Na spodnú časť stojana položte kus papiera a vytvorte obrazovku
2. Umiestnite spodné rameno retortového stojana asi 10 cm nad stojan
3. Difrakčnú mriežku pripevnite k dolnému ramenu a zaistite ju buldogovým úchopom
4. Umiestnite nadlaktie nad difrakčnú mriežku (na vzdialenosti nad mriežkou nezáleží)
5. Pripojte laser k nadlaktiu tak, aby bol namierený tak, aby lúč prechádzal difrakčnou mriežkou
6. Nasaďte si ochranné vybavenie a potom ste pripravení vystreliť niekoľko laserov!

Krok 3: Experimentujte

Na zistenie vlnovej dĺžky lasera musíte zmerať oddelenie okrajov. Ak to chcete urobiť, postupujte podľa tejto metódy:

1. Keď lasery narazia na papier (obrazovku), perom si napíšte, kde sa vyskytujú svetlé škvrny (tieto sú známe ako prsty). Nezabudnite si zapísať stredný a tie na oboch stranách.
2. Opakujte krok 1 pre každú farbu a označte na papieri okraje
3. Akonáhle to urobíte pre všetky lasery, zmerajte vzdialenosť medzi stredným okrajom a 1. okrajom vedľa neho (toto je známe ako okraj 1. okraja).

(Nesrovnalosť medzi obrázkom a tým, čo som zaznamenal do svojich výsledkov, si všimnete neskôr. Dôvodom je, že som to urobil niekoľkokrát, aby som určil neistotu v meraní).

Ako to však súvisí s vlnovou dĺžkou? Rovnica je lambda = (a * x) / d, kde „lambda“je vlnová dĺžka v metroch, „a“je vzdialenosť medzi štrbinami v difrakčnej mriežke, „x“je okrajové oddelenie a „d“je vzdialenosť medzi obrazovkou a mriežkou. To všetko je k dispozícii na dosadenie do rovnice, ktorá vám poskytne vlnovú dĺžku.

Môžete sa však opýtať „ako zistím, čo je„ a “? Ak vieme, že mriežka má 500 „čiar“na mm, znamená to, že existuje 500 000 čiar na m. Ak vydelíme 1 m 500 000 čiar, dostaneme vzdialenosť medzi nimi 2 µm. Spolu s x a d teraz môžeme vypočítať vlnovú dĺžku.

Nezabudnite, že všetky tieto vzdialenosti sú v metroch. Vlnová dĺžka je zvyčajne vyjadrená v nanometroch (10^-9 m), takže budete musieť zvážiť, či chcete svoju odpoveď previesť na nanometre alebo jednoducho vyjadriť je niečo krát 10^-9.

Krok 4: Výsledky

Tento experiment som zopakoval pre tento návod na vytvorenie vyššie uvedeného grafu. V tabuľke vidíte dva riadky (minimálny a maximálny). Ide o maximálne a minimálne vlnové dĺžky, ktoré sú uvedené na samotných laseroch, takže som približne vedel, aká by vlnová dĺžka mala byť, aby som zistil, či som dostal správnu odpoveď.

Pri pohľade na výpočty moje merania nespadajú do maximálnych a minimálnych hraníc, ale sú prinajmenšom konzistentné. Rozdiel medzi nameraným a očakávaným bol medzi 4% a 10%. Neurobil som úplné meranie neistoty, ale je zrejmé, že neistota bude zavedená meracími technikami (t. J. Meranie vzdialenosti od obrazovky nebude dokonale kolmé atď.). Dokonca aj pri niektorých nezapočítaných chybách sa domnievam, že toto je spravodlivé zobrazenie skutočných vlnových dĺžok a dokonale ukazuje experiment s dvoma štrbinami.

Ak vás zaujíma celý súbor výsledkov, priložil som súbor programu Excel, ktorý môžete použiť na vykonávanie vlastných meraní. Teraz sa hrám s kolimačnými šošovkami a reflektormi, dajte mi vedieť, či by vás zaujímal návod na túto tému, a dajte mi vedieť, čo si o tomto rýchlom návode myslíte v komentároch.