В этом эксперименте исследуется дифракция света на акриловой поверхности, которая деформируется под действием излучения лазера. Акрил (полиметилметакрилат) — органический материал в 5 раз прочнее стекла.

Оборудование

1. Лазер (напряжение регулируется блоком управления 6)
   
2. Экран с отверстием
   
3. Два мультиметра (один амперметр и один вольтметр)
   
4. Соединительные провода для источника питания лазера и блока управления
   
5. Соединительные провода для мультиметров
   
6. Блок управления
   
7. Источник питания
   
8. Акриловая пластинка (образец) с регулируемой стойкой
   

Схема экспериментальной установки

Эксперимент состоит из двух частей. В первой части исследуется, как зависят от мощности лазера параметры интерференционной картины (угловой размер, число полос, угловое расстояние между полосами).

Во второй части изучается, как зависят от мощности лазера параметры возникающей деформации, которая создает эту интерференционную картину.

Работа с оборудованием

1. Аккуратно снимите с оптической скамьи оборудование от предыдущего эксперимента и поместите его на мягкий коврик.
2. Поместите на оптическую скамью лазер, экран и акриловую пластинку, как показано на рисунке 1а. Отрегулируйте лазер, чтобы его луч был направлен горизонтально вдоль оси оптической скамьи и проходил через центр отверстия в экране. Убедитесь, что луч падает на акриловый образец почти перпендикулярно. 
   ЛАЗЕР ОЧЕНЬ МОЩНЫЙ. НЕ СМОТРИТЕ В ЕГО ЛУЧ!
3. Закрепите акриловую пластинку в магнитном держателе. Используйте белую акриловую бумажку, чтобы сфокусировать лазер и отрегулировать положение луча. 
   Примечание 1. Во время работы с лазером постепенно увеличивайте его мощность, начиная с маленьких значений. 
   Примечание 2. Убедитесь, что поверхность акриловой пластинки чистая. Область, на которую светит лазер, можно протереть салфеткой для линз. Не протирайте акриловую пластинку грубой тканью, так как она может наэлектризовать акрил, и к нему прилипнет пыль.
4. Расположите акриловую пластинку обратной стороной к лучу, снимите покрытие и как можно точнее определите точку, в которую попадает лазерное излучение. 
   Учитывайте, что если поверхность акриловой пластинки грязная или освещается слишком интенсивным излучением, то дифракционные полосы могут деформироваться и стать овальными. Также могут появиться дополнительные полосы.
5. Переведите переключатель источника питания в положение ON.
6. Чтобы увеличить интенсивность излучения лазера, нужно увеличить напряжение на нём. 
   Чтобы измерить постоянное напряжение на лазере и постоянный ток через него, подключите к лазеру мультиметры. При первой настройке переключайте их диапазоны от большего к меньшему. Напряжение на лазере можно увеличивать вплоть до $4.5~В$.
7. Лазерный луч отражается от плоской непрозрачной матовой поверхности акриловой пластинки. Если интенсивность лазерного излучения постепенно увеличивать, поверхность пластинки начнет плавиться, когда интенсивность достигнет определенного значения. Расплавленные пятна видны невооруженным глазом.
8. Вращайте передний винт на подставке лазера, чтобы сфокусировать его излучение на поверхности.
9. Яркое пятно, создаваемое излучением, отраженным от поверхности, можно наблюдать на экране, расположенном за лазером. Пронаблюдайте, как форма и размер этого пятна меняются при увеличении или уменьшении интенсивности света.

Часть A. Плавление акрила лазерным излучением (0.8 баллов)

Пока мощность лазера не достигает определенного значения, изменения дифракционной картины обратимы. В этой части нужно определить верхнее граничное значение мощности лазера, после которого заканчивается режим термоупругих деформаций и начинается плавление.

A1  ^0.30 Определите значение мощности $p_{max}$, отвечающее моменту начала плавления.

A2  ^0.50 Определите диаметр внешней светлой интерференционной полосы, когда мощность лазера отвечает моменту начала плавления.

Часть B. Режим термоупругих деформаций (3.5 баллов)

B1  ^1.50 Определите зависимость диаметра внешней светлой интерференционной полосы и количества интерференционных полос от мощности. Занесите результаты измерений в таблицу в листе ответов.

B2  ^1.00 Постройте график зависимости диаметра внешней светлой интерференционной полосы от мощности лазера.

B3  ^1.00 Постройте график зависимости количества интерференционных полос на экране от мощности лазера.

Часть C. Положения интерференционных полос при постоянной мощности (3.7 балла)

C1  ^1.20 Измерьте угловое положение (угол между лучом, направленным на полосу порядка $n$ и осью $x$) и угловую ширину (угол между лучом направленным на полосу порядка $n$ и на полосу с номером $n+1$) светлых полос при постоянной мощности, подаваемой на лазер, в зависимости от порядка интерференции полосы, занесите результаты измерений в таблицу.

C2  ^1.00 Постройте линейный график зависимости углового положения полосы от ее порядка интерференции.

C3  ^0.50 Определите угловой коэффициент и свободный член для графика из C2.

C4  ^1.00 Постройте график зависимости угловой ширины полосы от ее порядка интерференции.

Часть D. Параметры температурной деформации (2 балла)

В этой части интерференционная картина используется, чтобы определить параметры температурной деформации. Когда лазер нагревает поверхность, она деформируется. На экране появляется интерференционная картина, показанная на графиках ниже:

На графиках голубым цветом изображен профиль сечения деформации. Красным показана зависимость интенсивности от расстояния до центра интерференционной картины. При увеличении интенсивности лазера увеличивается количество светлых интерференционных полос. Из графиков можно найти эмпирическую связь между высотой деформации и количеством интерференционных полос, $m = 2h/\lambda$.

D1  ^1.40 Получите зависимость высоты температурной деформации от мощности лазера.

Высота деформации измеряется в единицах длины волны лазера. Вам потребуется подсчитать количество интерференционных полос и найти максимальный порядок интерференции.

Постройте график зависимости высоты деформации от мощности лазера.

Подсказка: снимите данные для различных мощностей лазера, при этом обязательно должен быть покрыт диапазон от $200~мВт$ до $400~мВт$.

D2  ^0.60

Чему равны высоты термальной деформации при следующих мощностях лазера? Приведите ответ в единицах длины волны лазера.

• $200 ~мВт$
• $300 ~мВт$
• $400~ мВт$