Устройство для изучения отражательной дифракционной решетки

Полезная модель относится к области обучающих устройств, предназначена для осуществления демонстрационного эксперимента, а также проведения исследовательских работ студентов по волновой оптике.
Известно устройство для демонстрации явлений оптики по патенту РФ на полезную модель №4179, МПК G09B 23/22, опубл. 16.05.1997 г. Основными компонентами устройства являются лазер, преобразующий элемент, представленный цилиндрической линзой для разворачивания лазерного луча в перпендикулярную экрану плоскость, непосредственно экран в виде магнитной доски и съемные рабочие оптические элементы для демонстрации различных оптических явлений (отражательную и пропускающую фазовые дифракционные решетки, клин из двух плоскопараллельных пластин, линзы, прямоугольную призму, модель оптического волновода и набор зеркал). Устройство позволяет проводить демонстрационный эксперимент по широкому кругу явлений геометрической и волновой оптики, однако оно не снабжено измерительными компонентами и не позволяет снимать какие-либо количественные показания. Известен учебно-демонстрационный стенд для изучения и демонстрации явлений интерференции и дифракции света по патенту РФ №2320023, МПК G09B 23/22, опубл. 20.05.2005 г. В состав стенда входит источник лазерного излучения, оптическая скамья и набор исследуемых объектов, фиксируемых вертикально, а также устройство отображения и питания излучателя. Стенд позволяет демонстрировать явления дифракции и интерференции, но не дает возможности наглядно прослеживать ход лазерных лучей, что с дидактической позиции при изучении раздела оптики является важным. В качестве диспергирующей системы компакт-диски использованы в следующих устройствах: Спектральный прибор с продольным разложением света в спектр, устройство по патенту РФ на изобретение №2359239 (Воротников B.C., Никулин В.Б. МПК G01J 3/22, опубл. 20.06.2009 г.); Прибор спектрального разложения света и измерения длин волн, техническое решение по патенту РФ на изобретение №2472117 (Чигак А.С., Шерьязов С.К. МПК G01J 3/18, G02F 1/00, опубл. 10.01.2013 г.).
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели по совокупности существенных признаков относится учебно-демонстрационная установка для изучения оптических явлений и тест-объект для ее осуществления по патенту RU2567686C1 (Алексеев С.А., Стафеев С.К. МПК G09B 23/22, опубл. 10.11.2015 г.). Установка представляет собой закрепленные последовательно на оптической шкале лазерный излучатель, тест-объект с дифракционной структурой и экран для наблюдения дифракционной картины. В зависимости от типа тест-объекта и свойств лазерного источника данное изобретение позволяет определять длину волны излучения и период дифракционной структуры, нанесенной фотолитографическим методом или с помощью напыления. Демонстрационные возможности, связанные с наблюдением хода дифрагированных лучей, сильно ограничены и требуют дополнительного затемнения места проведения эксперимента, что затрудняет корректное измерение показаний. Поскольку в данной установке используются дифракционные структуры с различной геометрией, то для более точного измерения углов дифракции приходится менять экран (или его положение) для наблюдения, учитывая, что лучи, соответствующие различным порядкам дифракции, не лежат в одной плоскости. К тому же, почти все рабочие оптические элементы производятся на специальном оборудовании и не могут быть сделаны в рамках самостоятельного исследования облучающимися.
Технический результат, на достижение которого направлена заявляемая полезная модель, заключается в повышении наглядности работы устройства для демонстрации отражательной дифракции. Полезная модель также решает задачу более точного определения углов дифракции, которые в аналогичных установках в силу того, что дифракционная решетка может иметь различную геометрию, достаточно точно измерить проблематично.
Технический результат достигается за счет того, что устройство снабжено градуированной шкалой для измерения углов отражения, выполненной в форме полуокружности и зафиксированной на раме таким образом, чтобы охватывать область дифрагированных лучей. Кроме того, в конструкцию устройства добавлен парогенератор, обеспечивающий повышение наглядности хода лучей. Все составные элементы, необходимые при создании устройства для изучения отражательной дифракционной решетки, включая полупроводниковый лазер (лазерную указку), фрагменты компакт-дисков, металлическую линейку и градуированную шкалу, а также раму для основания, не являются дорогостоящими, что позволяет учащимся собрать устройство в рамках самостоятельного исследования.
Полезная модель поясняется чертежом, где представлен общий вид устройства и отмечены основные компоненты, среди которых: 1 - полупроводниковый лазер; 2 - наборы оптических дисков; 3 - шкала для определения углов дифракции; 4 - парогенератор; 5 - рама для фиксации.
Работает устройство следующим образом. Поверхность оптического диска 2 представляет собой структуру, образованную концентрическими штрихами (последовательностью пикселей), которая может выполнять функцию плоской отражательной дифракционной решетки. Луч, излучаемый полупроводниковым лазером 1, попадая на такую мелкоструктурную периодическую поверхность, испытывает дифракцию. Для того чтобы проследить за ходом отраженных дифрагированных лучей, включается парогенератор 4. Сами зеркальные дорожки на поверхности диска обладают формой дуг, поэтому отраженные лучи, соответствующие различным порядкам дифракции, не лежат строго в одной плоскости даже при полной перпендикулярности падающего луча фрагменту диска 2. Для более точного определения углов дифракции в установке предусмотрена шкала 3, обладающая достаточной шириной и имеющая форму полуокружности, на градуированную поверхность которой попадают отраженные лучи. В аналогичных установках положение транспортира (или гониометра) для различных порядков дифракции приходится постоянно смещать, подбирая совпадение плоскости измерительного прибора и плоскости, в которой лежат дифрагированные лучи. Вычисленные углы дифракции позволяют определить период отражательной дифракционной решетки для известной длины волны лазера:  (d - период решетки, k - порядок дифракции, λ - длина волны излучения, ϕ - угол дифракции). Поскольку диски разных типов будут иметь различные значения периодов, то появляется возможность идентифицировать и сам тип диска, фрагмент которого использовался в качестве образца.
По сравнению с прототипом предложенное устройство для изучения отражательной дифракционной решетки позволяет осуществлять визуализацию хода дифрагированных лучей, а также с достаточной точностью (без осуществления дополнительной юстировки) определять углы дифракции за счет дополнительной шкалы для измерения углов отражения. Данная полезная модель обладает дополнительным методическим преимуществом перед аналогами, поскольку содержит доступные (в условиях студенческой лаборатории) компоненты и может быть создана обучающимися самостоятельно в рамках научного исследования.