Pomiar długości fal lasera: 4 kroki (ze zdjęciami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:31

Cześć wszystkim, witamy w kolejnej instrukcji! Tym razem chciałem stworzyć naprawdę łatwy instruktaż, który możesz zrobić jako projekt wieczorny lub weekendowy. W ramach mojej ciągłej nauki spektrofotometrii eksperymentowałem z siatkami dyfrakcyjnymi i monochromatorami i natknąłem się na "eksperyment z podwójną szczeliną Younga". To fascynująca obserwacja tego, jak światło przemieszcza się (falowo) i ujawnia efekt dyfrakcji dla różnych długości fal światła.

Postanowiłem spróbować powtórzyć eksperyment, aby przekonać się, jak działa z niektórymi wskaźnikami laserowymi i sprawdzić, czy uda mi się przeprowadzić eksperyment.

Krok 1: Warunki wstępne i bezpieczeństwo

Lasery są naprawdę fajne, ale ostrzeżenie, zanim przejdziemy dalej! Spojrzenie w laser lub silną skolimowaną wiązkę może cię oślepić. Tam, gdzie to możliwe, sugerowałbym używanie kolorowych okularów ochronnych, aby zapobiec uszkodzeniom oczu przez zbłąkane promienie.

Wskaźniki laserowe są często sprzedawane jako „zabawki dla kotów” i przyznaję, że uwielbiam drażnić się tym z moim kotem, ale zielony okazał się bardzo mocny (prawie zbyt jasny, aby na niego patrzeć). Podobno mają mniej niż 5 mW mocy, ale znalazłem dużą rozbieżność między intensywnościami każdego koloru (mogę zrobić miernik mocy optycznej, aby zmierzyć to w osobnej instrukcji?). Wątpię, czy etykieta pasuje do rzeczywistości, co wkrótce odkryjemy, mierząc długości fal.

Do eksperymentu zakupiłem następujące materiały:

• Wskaźniki laserowe x3 (czerwony, zielony, niebieski)
• Stanowisko do retorty
• Suwak siatki dyfrakcyjnej (500 linii na mm)
• Papier i długopisy
• Chwyty buldoga
• linijka pomiarowa
• Okulary ochronne

Krok 2: Konfiguracja sprzętu

Stanowisko powinno być ustawione tak, aby wskaźnik laserowy był skierowany w dół w kierunku siatki dyfrakcyjnej. Laser przejdzie przez siatkę i zostanie wyświetlony na kawałku papieru na dole (ekran). Aby to skonfigurować, wykonaj następujące proste czynności:

1. Umieść kawałek papieru na spodzie stojaka, aby zrobić ekran
2. Umieść dolne ramię stojaka retorty około 10 cm nad stojakiem
3. Przymocuj siatkę dyfrakcyjną do dolnego ramienia i zabezpiecz ją uchwytem buldoga
4. Umieść górne ramię nad siatką dyfrakcyjną (odległość nad siatką nie ma znaczenia)
5. Przymocuj laser do ramienia tak, aby był skierowany tak, aby wiązka przechodziła przez siatkę dyfrakcyjną
6. Załóż swój sprzęt ochronny, a potem przygotuj się do strzelania laserami!

Krok 3: Eksperyment

Aby znaleźć długość fali lasera, musisz zmierzyć odległość prążków. Aby to zrobić, postępuj zgodnie z tą metodą:

1. Kiedy lasery uderzą w papier (ekran), zapisz długopisem, gdzie pojawiają się plamki świetlne (tzw. paluszki). Upewnij się, że zapisałeś środkowy i te po obu stronach.
2. Powtórz krok 1 dla każdego koloru, zaznaczając frędzle na papierze
3. Gdy już to zrobisz dla wszystkich laserów, zmierz odległość między środkową obwódką a pierwszą obwódką obok niej (jest to znane jako obwódka pierwszego rzędu).

(Zauważysz, że istnieje rozbieżność między obrazem a tym, co zarejestrowałem w moich wynikach później. To dlatego, że zrobiłem to kilka razy, aby określić niepewność pomiaru).

Ale jak to się ma do długości fali? Równanie to lambda = (a * x) / d, gdzie „lambda” to długość fali w metrach, „a” to odległość między szczelinami w siatce dyfrakcyjnej, „x” to odległość prążków, a „d” to odległość między ekranem a kratą. Wszystko to możesz podstawić do równania, aby uzyskać długość fali.

Ale możesz zapytać „Skąd mam wiedzieć, co to jest 'a'?”. Cóż, jeśli wiemy, że kratka ma 500 „linii” na mm, oznacza to, że na metr przypada 500 000 linii. Jeśli podzielimy 1m przez 500 000 linii, otrzymamy odległość między nimi wynoszącą 2 µm. Razem z x i d możemy teraz obliczyć długość fali.

Pamiętaj, że wszystkie te odległości podane są w metrach. Długość fali jest zwykle wyrażana w nanometrach (10^-9 m), więc musisz rozważyć, czy chcesz przekonwertować swoją odpowiedź na nanometry, czy po prostu wyrazić to coś razy 10^-9.

Krok 4: Wyniki

Powtórzyłem ten eksperyment dla tego polecenia, aby stworzyć powyższy wykres. W tabeli widać dwa rzędy (min i max). Są to maksymalne i minimalne długości fal, które są wskazane na samych laserach, więc wiedziałem w przybliżeniu, jaka powinna być długość fali, aby sprawdzić, czy otrzymałem właściwą odpowiedź.

Patrząc na obliczenia, moje pomiary nie mieszczą się w granicach maksimum i minimum, ale są przynajmniej spójne. Różnica między zmierzonym a oczekiwanym wynosiła od 4% do 10%. Nie wykonałem pełnego pomiaru niepewności, ale oczywiste jest, że niepewność wprowadzą techniki pomiarowe (tj. pomiar odległości do ekranu nie jest idealnie prostopadły itp.). Nawet z pewnym niewyjaśnionym błędem wierzę, że jest to rzetelne przedstawienie rzeczywistych długości fal i doskonale pokazuje eksperyment z podwójną szczeliną.

Jeśli jesteś zainteresowany pełnym zestawem wyników, załączam plik excel, który możesz wykorzystać do wykonania własnych pomiarów. Jestem teraz w trakcie zabawy z soczewkami kolimacyjnymi i reflektorami, daj mi znać, czy byłbyś zainteresowany instruktażem na ten temat, i daj mi znać, co myślisz o tej szybkiej instrukcji w komentarzach.