Valon diffraktio yhdessä ja kahdessa raossa

Transkriptio

1 Jväslän Ammattioreaoulu, IT-instituutti IXPF24 Fsiia, Kevät 2005, 6 ECTS Opettaja Pasi Repo Valon diffratio hdessä ja ahdessa raossa Laatija - Pasi Vähämartti Vuosiurssi - IST4S1 Teopäivä Palautuspäivä Rhmä E1 / A3 Osanen Janne Vaitti Miael Vähämartti Pasi /7

2 LABORATORIOTYÖN KUVAUS Tehtävän määrittel: Taroitus on määrittää laservalon aallonpituus (λ) hden raon tapausessa, seä raojen välinen etäiss (d) ahden raon tapausessa virherajoineen. Johdanto: Valo on sähömagneettista säteilä siinä missä röntgensäteet ja radioaallotin. Nävän valon aallonpituus on välillä 380nm 760nm (taajuus THz), un taas esim. leisradiotoiminnassa ätett aallonpituus on välillä 2,77m 3,41m (taajuus MHz). Sähömagneettisten aaltojen etenemisnopeus riippuu väliaineesta, thjiössä se on m/s. Tavallinen (esim. hehulampun tuottama) valo sisältää useita aallonpituusia, joa säteilee satunnaisesti joa suuntaan erivaiheista säteilä. Laser poieaa tavallisesta valosta siten, että sillä on tiett aallonpituus, se on hdensuuntaista ja samanvaiheista. Sana LASER tulee sanoista Light Amplification b Stimulated Emission of Radiation, joa suomesi äännettnä taroittaa valon vahvistusta stimuloidun säteiln emission avulla. Se mitä se sitten ätännössä taroittaa, niin asiasta iinnostunut voi ädä tutustumassa laserin tuottomeanismiin esim. osoitteessa Mittausissamme ätetn laserin aallonpituudesi on ilmoitettu 632,8nm, joa onin taroitus määrittää teemiemme mittausten perusteella. Raportin lopussa näemme miten onnistuimme mittausissamme /7

3 Tehtävässä ätett htälöt ja niiden siötarastelut: Aallonpituuden laseminen: a sinθ λ = a [ mm] = [ mm] [ pl] D 1 [ ] [ mm ] 1 mm [ mm] [ pl] λ = laservalon aallonpituus a = raon leves = ertaluu = minimien poieama D = varjostimen etäiss linssistä Raojen välimatan laseminen: n λ D d = n λ sinθ [ ] [ ] [ mm mm pl ] [ ] [ mm] mm d = raojen välimata n = interferenssin ertaluu λ = laservalon aallonpituus D = varjostimen etäiss linssistä = minimien poieama Suhteellisen virheen laseminen: λ( λ( D D + Absoluuttisen virheen laseminen (hden raon tapausessa): λ( + λ( D Absoluuttisen virheen laseminen (ahden raon tapausessa): d( + d( D /7

4 Mittausmenetelmät: Tehtävän suorittamisessa ätettiin rullamittaa, töntömittaa, paperia ja apeaäristä nää. Mittavälineistä seä paperille äsin piirretstä uviosta arvioitiin virheen suuruus, tuloset irjoitettiin etuäteen tehtn mittauspötäirjaan. Aallonpituuden määrittäminen: Laservalonlähde, hden raon elementti ja heijastin asetettiin paialleen mittausia varten suunniteltuun uralliseen metallitanoon. Raon ja heijastimen välinen etäiss säädettiin mahdollisimman suuresi siten, että sntvä diffratiouvio on mahdollisimman terävä. Tämän jäleen mitattiin mittanauhalla raon ja heijastimenvälinen etäiss (D). Varjostimelle asetettuun valoiseen A4-ariin piirt diffratiouvio. Tämän jäleen meritään nällä piirtäen joainen havaittavissa olevan minimin ja intensiteettijaauman esiohta. Tämän jäleen töntömitalla mittaamalla mittaamme merittjen ohtien välimatat. Lopusi lasetaan saaduista arvoista aallonpituus, seä virherajat arvioitujen mittausvirheiden avulla. Lopullinen tulos on lasettujen arvojen esiarvo. Mittaustuloset lötvät sivulta 5 ja esimerilasut sivulta 6. Raojen välimatan määrittäminen: Mittaaminen tapahtuu pitälti edellisen uvausen muaisesti. Tällä ertaa hden raon elementti orvattiin ahden raon elementillä. Pääpiirteittäin ahden raon elementti luo heijastimeen samanlaisen uvion uin hden raon tapausessa. Nt paperille piirretään esimmäisen ja siitä ahden seuraavan valomasimin esiohta, sitten minimin esiohta ja taas ahden masimin esiohta. Tämän jäleen mitattiin etäisdet esipisteestä ja irjattiin tauluoon. Saatujen tulosien perusteella saadaan lasettua raojen välinen etäiss (d). Lopullinen tulos on lasettujen arvojen esiarvo. Mittaustuloset lötvät sivulta 5 ja esimerilasut sivulta /7

5 Mittaustuloset: Varjostimen etäiss raosta, D = (2385±5)mm I-raon tapaus RAON LEVEYS a=0,12mm Y [mm] Y [mm] Y7 93,0 1,0 Y6 79,0 1,0 Y5 66,0 1,0 Y4 53,5 1,0 Y3 40,0 1,0 Y2 27,0 1,0 Y1 13,0 1,0 Y-1 13,0 1,0 Y-2 27,0 1,0 Y-3 40,0 1,0 Y-4 53,5 1,0 Y-5 66,5 1,0 Y-6 79,0 1,0 Y-7 93,0 1,0 II-raon tapaus RAON LEVEYS a=0,10mm ; d=0,25mm Y [mm] Y [mm] Y5 24,0 1,0 Y4 18,0 1,0 Y3 - - Y2 12,0 1,0 Y1 6,0 1,0 Y-1 6,0 1,0 Y-2 12,0 1,0 Y Y-4 18,0 1,0 Y-5 24,0 1,0 Varjostimen etäisden (D) mittavirheesi arvioimme 5mm ja varjostimeen äsin piirrettjen viivojen (Y) mittavirheesi 1mm ( Y) seä hden että ahden raon tapausessa /7

6 Lasuesimerit: Aallonpituus: asinθ λ = a D 1 = 0,12 mm 27 mm 2385 mm 1 2 = 0, mm 680 nm Aallonpituuden suhteellinen virhe: D 5 mm 1mm + = + = 0, ,9% D 2385 mm 27 mm Aallonpituuden absoluuttinen virhe: + λ = 0, ,24 nm = 26,58 nm 30 nm D Aallonpituus virherajoineen: λ ± λ = ( 680 ± 30)nm Raojen välinen etäiss: n λ D 2385 mm d = n λ = 2 0, mm = 0,2515mm 0,25 mm sinθ 12 mm Raojen välisen etäisden suhteellinen virhe: D 5 mm 1mm + = + = 0, ,5% D 2385 mm 12 mm Raojen välisen etäisden absoluuttinen virhe: d = + d = 0, ,2515 mm = 0,02148 mm 0,02 mm D Raojen välinen etäiss virherajoineen: d ± d = ( 0,25 ± 0,02)mm /7

7 Tön ja tulosten arviointi: Itse lasetut arvot: Ysi rao Kasi raoa Raon leves 0,12 mm 0,10 mm λ± λ (nm) d± d (mm) Y7 668±9 Y6 660±10 Y5 664±12 0,25±0,01 Y4 673±14 0,25±0,02 Y3 670±20 Y2 680±30 0,25±0,03 Y1 650±60 0,25±0,05 Y-1 650±60 0,25±0,05 Y-2 680±30 0,25±0,03 Y-3 670±20 Y-4 673±14 0,25±0,02 Y-5 664±12 0,25±0,01 Y-6 660±10 Y-7 668±9 esiarvo 670±30 0,25±0,02 Kirjallisuusarvot: a [mm] d [mm] λ [nm] I-rao 0,12 II-raoa 0,10 0,25 Laserin aallonpituus 632,8 Lähde: Dioista ja laserista Kätetistä osista atsotut ja itse määritellt arvot eivät ole identtiset, mutta ovat hvin lähellä toisiaan. Snä heittoihin ovat mittausepätaruudet. Suurimman epätaruuden aiheuttaa äsin piirrett viivat diffratiouviosta paperille, joiden minimit ja masimit määriteltiin silmämääräisesti Määritetn laserin aallonpituus meni vähän läanttiin, eiä virhearvioaan ole aivan tarpeesi suuri, jotta mitattu ja ilmoitettu luema ohtaisivat. Heitto ei ole uitenaan ovin suuri. Raojen etäisden määrittäminen onnistui sitäin paremmin. Saatu tulos on htä ilmoitetun arvon anssa, lasettu virhearvioaan ei ole ovin suuri. En voi olla uin ttväinen saatuihin tulosiin. Koonaisarvio: Laboratoriomittausten teeminen oli suhteellisen helppoa. Mittausten teeminen mitalla ja töntömitalla olivat huomattavan epätaroja. Tämä siitä sstä, osa paperille heijastetusta diffratiouviosta määriteltiin minimit ja masimit silmämääräisesti ja viivat piirrettiin äsin. Tö oli havainnollinen ja mieleniintoinen. Oli mieleniintoista uina si valonsäde psti jaautumaan moneen osaan apean raon avulla tuottaen diffratio uvion heijastimeen. Olen ttväinen saatuihin lopputulosiin ja tämän doumentaation uloasuun ja sisältöön /7