Ústav fyziky kondenzovaných látek Přírodovědecká fakulta, Masarykova univerzita, Brno Fyzikální praktikum 4 Studium rozložení světla v okolí Gaussova obrazu bodového zdroje -v difrakce optické soustavy na zobrazer Domácí příprava Nalezněte vztahy platné pro rozložení světla v okolí ohniska čočky (lze doplnit i během praktika). Z těchto vztahů odvoďte odhady velikosti difrakčnfho obrazce, uvedené níže v tomto návodu. Pomocí zobrazovací rovnice převeďte pohyb čočky podél optické osy na změnu polohy obrazu při zachování polohy (bodového) zdroje. doporučená literatura: [1] Born, Wolf: Principles of optics [2] Kuběna: Úvod do optiky Obrázek 1: Izofoty teoretického rozložení světla ze vzdáleného bodového zdroje v řezu okolí ohniska čočky. [1] Úvod V této úloze se pokusíme nasnímat deatil rozložení světla v okolí bodového obrazu, vytvořeného čočkou v prostoru. Trojrozměrné světelné pole v oblasti našeho zájmu nasnímáme postupně v několika řezech kolmých k ose optické soustavy za pomoci digitálního fotoaparátu zbaveného objektivu. Podle teorie je každé takové zobrazení zatíženo vadami použité optické soustavy (odstranitelně, alespoň do jisté míry) a ohybem světla (nevyhnutelně). 2 Všechny jevy spojené s vlnovou povahou světla se škálují relativně vzhledem k použité vlnové délce, kritickým parametrem zpravidla bývá průměr vstupní apertury. Máme-li například čočku o ohniskové vzdálenosti / a průměru D, můžeme kromě zavedení popisné veličiny clony, f vyjádřit velikost přibližně válcové oblasti, do které je reálně fokusována většina světlo namísto do bodového obrazu, prostřednictvím jejího průměru d a délky / jako d . 3.8317 l . „2 -=-c a -=Aď. A 7T A Kritickým bodem celé úlohy bude vytvoření podmínek popisovaných výše, konkrétně ustavení bodového zdroje světla. Kromě přizpůsobení prostorové charakteristiky budované osvětlovací soustavy je navíc potřeba uvážit, že budeme snímat světlo v oblasti jeho fokusace a mohlo by dojít až k poškození CCD čipu fotoaparátu. Součásti optické soutavy pro měření aberací Zdrojem (monochromatického) světla bude laserová dioda s přídavnou kolimační čočkou a případnými šedými filtry pro regulaci osvitu detektoru. Světlo za kolimační čočkou je téměř nerozbíhavé s průměrem svazku přibližně 1 mm, v případě potřeby je možné svazek rozšířit použitím beam expanderu (cca 3x). Konstrukce rozšiřovače svazku v nejjednodušším případě zahrnuje dvě čočky umístěné tak, aby z rovnoběžného dopadajícího svazku světla vytvořily opět rovnoběžný svazek světla, ovšem zvětšeného průřezu. Jedná se tedy v podstatě o (zadem dopředu orientovaný) malý dalekohled, jehož čočky jsou spojené příslušnými ohniskovými body, resp. zpravidla je pro lepší dosažení paralelního vystupujícího svazku umožněn ostřicí pohyb jedné z komponent rozšiřovače. Do osvětlovací části soustavy je možné zahrnout fokusační optiku podle potřeby, doporučuje se prostorová filtrace světla štěrbinou za účelem zlepšení bodovosti zdroje. Za jednoduchou spojkou, která nám bude sloužit za optickou soustavu, jejíž chování studujeme, bude detektorem světla digitální zrcadlovka s odstraněným objektivem. 3 Postup měření Celou optickou soustavu budeme budovat na optické lavici, každý optický člen bude mít svůj držák a stojan. Pro vybrané členy je potřeba aplikovat na držáky také závitové pohyby pro jemné doladění jejich polohy. Prvním úkolem je justování optické cesty. Za tímto účelem vycentrujeme stopu z diody na snímači fotoaparátu, přičemž nezapomene použít šedý filtr, aby nedošlo k poškození CCD. Dbáme přitom na to, aby cesta světla byla vodorovná a orientovaná souběžně s hlavním směrem optické lavice. Dále do optické cesty centrujeme jednotlivé komponenty tak, aby poloha středu svazku zůstala zachována (fokusační čočku umístíme navíc na posuvný stolek). Máme-li sjustováno, pokusíme se sejmout obraz stopy v blízkosti ohniska - vzhledem k nepřítomnosti objektivu musíme fokusovat ručně. Nesmíme přitom zapomenout na dostatečné zeslabení laseru, tak aby nedošlo k poškození fotoaparátu. Je-li obraz ostrý a dobře prekreslený, můžeme přistoupit k samotnému měření a sejmout rozložení světla na čipu fotoaparátu pro několik poloh čočky. Úkoly: • zajistěte si vhodné komponenty optické lavice pro zbudování úlohy; parametry čoček, které jsou k dizpozici, určete vlastním měřením • sestavte osvětlovací část soustavy, která splní podmínky kladené na bodový charakter zdroje světla • sestavte optickou cestu pro snímání obrazu za čočkou • sejměte snímek rozložení světla pro několik poloh fokusační spojky Zpracování měření Získané snímky rozložení obrazových bodů zpracujte v grafickém programu (Photoshop, Gimp, ...). Vytvořte grafy teoretického rozložení světla a porovnejte je s naměřenými. Ze znalosti parametrů CCD čipu zrcadlovky určete skutečnou velikost centrální oblasti, zasažené difrakcí.