Ottica - LD Didactic

Ottica
LEYBOLD Schede di fisica
Ottica ondulatoria
Interferometro di Michelson
LEYBOLD
Schede di fisica
P5.3.4.1
P5.3.4.1
Impiego dell’interferometro
di Michelson sulla piastra base
per ottica laser
Obiettivi dell’esperimento
n Assemblaggio dell’interferometro di Michelson
n Osservazione delle figure d’interferenza
Principio fisico
L’interferometria è un metodo di misura molto preciso e molto
sensibile che permette di determinare, ad esempio, variazioni
di lunghezza, densità degli strati, indici di rifrazione e lunghezze d’onda. L’interferometro di Michelson appartiene alla
famiglia degli interferometri a due raggi. Il suo principio di
funzionamento è il seguente.
L’interferometro di Michelson, montato sulla piastra base per
ottica laser, è molto utile quando si vuole determinare sperimentalmente gli effetti dovuti agli urti meccanici ed alle
correnti d’aria. Nel caso in cui il sistema viene configurato in
modo da ottenere la formazione degli ologrammi, si ha la
possibilità di riconoscere e di eliminare i disturbi.
0705-Wit
Il raggio luminoso coerente emesso da una sorgente laser
viene suddiviso in due raggi parziali mediante un dispositivo
ottico. I due raggi vengono riflessi separatamente uno dall’altro e, dopo aver seguito due percorsi differenti, vengono inviati ad un sistema ottico il quale provvede alla loro
sovrapposizione. Da tale sovrapposizione si ottiene una figura di interferenza. Se variano le caratteristiche del percorso
di uno dei raggi luminosi, per esempio, a causa dell’indice di
rifrazione e del diverso cammino geometrico, questo raggio
risulta sfasato rispetto al raggio il cui percorso è rimasto
inalterato. Tale sfasamento da luogo ad una variazione della
figura di interferenza; quando la figura di interferenza si stabilizza, è possibile trarre diverse ed interessanti conclusioni
circa l’indice di rifrazione o il percorso ottico dei due raggi.
Infatti, se l’indice di rifrazione rimane costante, è possibile
determinare la differenza geometrica tra i percorsi dei due
raggi; per esempio, le variazioni di dimensione del materiale
dovute al calore oppure gli effetti dovuti ai campi elettrici o
magnetici. Se, invece, il percorso geometrico rimane costante, si può determinare l’indice di rifrazione del materiale e gli
effetti dovuti alle variazioni di pressione, di temperatura o di
densità.
Fig.1: Immagine fotografica della figura di interferenza su schermo
semitrasparente
1
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LEYBOLD Schede di fisica
Configurazione del sistema di misura ed esecuzione
dell’esperimento
Apparecchiature
1
1
1
4
1
1
2
1
1
1
1
Piastra base per ottica laser
Raggio laser Ne-He, polarizzato linearmente
Supporto per sorgente laser
Basi per ottica
Divisore di raggi luminosi, per esempio
Sostegno per il divisore di raggi luminosi
Specchi piani con regolazione fine
Lente sferica, f = 2.7 mm
Schermo semitrasparente
Zoccolo
Riga graduata
473
471
473
473
473
473
473
473
441
300
311
40
840
41
42
432
43
46
47
53
11
03
Nota: I componenti ottici con superfici sporche o danneggiate
possono provocare dei disturbi nelle figure di interferenza.
Maneggiare con cura lo specchio piano, il divisore di raggi
luminosi e la lente sferica, conservare tali componenti privi di
polvere e non toccarli mai a mani nude.
La Fig. 2 rappresenta l’interferometro di Michelson assemblato
sulla piastra base per ottica laser. Per eseguire in modo
corretto l’esperimento, procedere passo-passo secondo le
modalità illustrate successivamente.
Piastra base per ottica laser:
– Gonfiare il cuscino d’aria.
– Posizionare la piastra base per ottica laser (a) sul banco
da laboratorio con il cuscino d’aria in posizione orizzontale.
– Montare la sorgente laser sul relativo supporto e collocarla sul margine sinistro della piastra base.
– Alimentare la sorgente laser.
– Allentare i tre dadi delle viti di regolazione del supporto
laser.
– Mediante le viti di regolazione, registrare il livello e l’inclinazione della sorgente laser in modo che il raggio luminoso sia perfettamente orizzontale ed a circa 75 mm
dalla piastra base (questo si ottiene attraverso regolazioni
successive). Misurare il livello del raggio con la riga graduata.
– Stringere i dadi di fissaggio.
Divisore di raggi luminosi:
I raggi ottenuti per riflessione e rifrazione debbono avere la
medesima intensità.
Questo risultato si ottiene se il raggio laser colpisce il punto
centrale del divisore di raggi luminosi (473 435).
– Come prima cosa, bisogna fare in modo che il divisore di
raggi luminosi (b) rifletta orizzontalmente il raggio laser.
Per ottenere questo, collocare il divisore di raggi luminosi
sul margine opposto della piastra base ed orientare la
base ottica rispetto al raggio incidente in modo che il
raggio riflesso vada ad incidere in prossimità dell’apertura
di emissione della sorgente laser.
– Correggere opportunamente l’inclinazione del divisore di
raggi luminosi, e quindi anche il percorso del raggio laser,
agendo sulle viti di regolazione.
– Infine, orientare il divisore di raggi luminosi di un angolo
di 45° come mostrato in Fig. 2. Lo strato parzialmente
trasparente del divisore di raggi luminosi va posto di fronte alla sorgente laser.
Norme di sicurezza
Il raggio laser Ne-He è conforme allo standard relativo
ai laser di classe 2: “Criteri di Sicurezza per
Apparecchiature - Laser ad uso didattico, DIN 58126,
Parte 6”. Se si osservano gli accorgimenti illustrati
nelle schede istruzioni, gli esperimenti con raggi laser
He-Ne non presentano alcun pericolo.
n Non guardare mai direttamente il raggio laser
diretto o riflesso
n Non superare i limiti di abbagliamento
(cioè fare attenzione a non risentire degli effetti
dannosi prodotti dall’abbagliamento).
2
Specchi piani:
Note:
È opportuno eseguire la messa a punto del sistema in un
ambiente sufficientemente buio.
L’intensità dei raggi parassiti generati dalle riflessioni multiple
deve essere minore dell’intensità dei raggi principali. Le radiazioni parassite vengono successivamente schermate dalla
montatura della lente per cui, in caso di ulteriori regolazioni,
si possono ignorare.
La qualità del raggio laser risulta deteriorata quando le riflessioni parziali dovute al divisore di raggi luminosi vengono inviate direttamente sull’apertura di emissione della sorgente laser.
– Collocare lo specchio piano (c) in modo che il raggio
laser incida nella zona centrale.
– Ruotando la base ottica ed agendo sulle viti di regolazione,
orientare lo specchio piano in modo che il raggio riflesso
coincida con il raggio incidente per cui, dopo aver attraversato il divisore di raggi luminosi, va ad incidere sull’apertura di emissione della sorgente laser.
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LEYBOLD Schede di fisica
Fig. 2: Montaggio dell’interferometro di Michelson sulla piastra base per ottica laser
a
iastra base per ottica laser
b
divisore per raggi luminosi
c, d
specchi piani con regolazione fine
e
lente sferica
f
schermo semitrasparente
–
–
–
–
Fissare lo schermo semitrasparente (f) sulla base di appoggio, posizionarlo rispetto alla piastra base come indicato in Fig. 2 e fare in modo che il raggio laser incida nel
punto centrale.
Collocare lo specchio piano (d) in corrispondenza del
raggio riflesso dal divisore di raggi luminosi (b) come
indicato in Fig. 2; la sua distanza dal divisore di raggi
luminosi è circa uguale a quella dello specchio (c).
Ruotando la base ottica ed agendo sulle viti di regolazione,
orientare lo specchio piano in modo che il raggio riflesso
coincida con il raggio incidente e quindi, dopo aver attraversato il divisore di raggi luminosi, si sovrapponga al
raggio parziale riflesso precedentemente.
Con le viti di regolazione, orientare gli specchi (c) e (d)
in modo che le tracce luminose dei due raggi riflessi si
trovino a coincidere perfettamente sullo schermo.
Lente sferica:
– Collocare la lente sferica (e) sulla piastra base per ottica
laser posizionandola tra il divisore di raggi luminosi e lo
schermo semitrasparente in modo da allargare il fascio
luminoso (la piccola apertura della montatura della lente
deve essere rivolta verso il divisore di raggi luminosi).
– Regolare l’altezza e la posizione orizzontale della lente
sferica in modo che i due raggi parziali attraversino la
lente lungo l’asse.
–
Modificare il percorso del raggio luminoso variando leggermente l’allineamento del divisore di raggi luminosi o
degli specchi piani; eventualmente, ritoccare la posizione
della lente sferica.
La maggior quantità di flusso luminoso viene convogliato tra
il divisore di raggi luminosi e lo schermo, sul quale si ottengono frange d’interferenza di diversa grandezza ed a diversa
distanza.
–
Regolare la conformazione delle figure d’interferenza in
modo da poter osservare facilmente piccole variazioni di
allineamento tra il divisore di raggi luminosi e gli specchi
piani.
Se non si riesce ad ottenere una soddisfacente rappresentazione delle figure d’interferenza mediante la
regolazione fine, ripetere dall’inizio tutta la procedura di
regolazione dell’interferometro.
Le figure d’interferenza risultano più luminose e più facili da
osservare quando all’uscita della sorgente laser si ha una
potenza di 1 mW. Poiché il percorso del raggio luminoso
potrebbe subire delle leggere variazioni, in tal caso è necessario correggere il suo percorso o modificare la posizione
della lente sferica.
Esempio di misura
Regolazione fine:
Se ancora non si riesce a vedere la conformazione delle
frange d’interferenza sullo schermo:
La Fig. 1 riportata in prima pagina mostra una fotografia
delle figure di interferenza ottenute sullo schermo
semitrasparente.
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