實驗十四
雷射光基礎實驗
宙射安全及亡玻裝二圖
當雷射電源打開後，絕不可開啟外殼，以免尚匕。 (內部有高壓)
絕不可讓雷射直接的射入眼睛，雷射光會對視網膜造成永久的傷害。同時任何光滑a
面都可造成光線的反射，也要避免反射的雷射光照到眼睛。高功率的雷射光即使經a
通器物散射之後，也可指傷害人體。 ]
雷射不用時最好關掉電源或用不透明的耳擋掉。 七
作實驗時，要留意其他同學，勿謨其受到傷害。
[原理]
如田一，如果相鄰兩狹縫之間的距離為d，則產生亮點的方向，可由以下之閒係式
dsin0 = mA ，川 = 0 ，土1 ，士2 ，
其中 用為極大值的次序(order)，A為入射光的波長
本賓驗所使用之光柵為80Iinesf ，也就是d=lf8Ohm，將雷射光打入光柵上，
[實驗步杞]
1．打開雷射光。
2．將80恥efmm之光柵放置在雷射光之前 (使用固定載片架) ，幕上將出現如田二之
形。
3．用筆於中心最亮點及其他亮點處作記號。
4．小心量L。將數據代A(2)(3) 式，求出雷射光波長A。
為得最佳宜驗結果，應先確定雷射光是否垂直入射至幕。可將一玻璃片置鋁板幕上作l
射鏡，確定反射光點回到出射孔 ．
交錯式光柵和網狀光柵 (c，oss grating and gauze)
[原理]
若將兩光柵互相垂直且依次放置雷射光之前，此時雷射光穿透光柵且呈像於幕上 (
此呈像之圖形，並不是單單各別光柵繞射加成之圖形，其實理由很簡單，當雷射光
第一個光柵時，產生一組丫方向之繞射亮點，這些亮點再通過第2個光柵，則每個亮點
看成一光源，故每個亮點又各別在又方向產乍一組干涉亮點，於是形成田二之囗形。
本直驗是使用一細金后網柵(gauze)，它的構造就如同一塊布之絨維互相交錯排列，
它對光所產生之偏離效果就如同兩互相垂直之光柵，現在我們已知雷射光波長A = 6毋
10一7m且幕距gauze 之距離為D，我們可由田形求出此gauze 每單位長度之條數。
當雷射光打入gauze後，產生田二之囗形。
若某方向 (註) 第一階次偏離距離為又，利用 (I) 光柵公式(1)
[實驗步茄]
1．打開雷射光。 ．
2．將gauze置於雷射光之前，此時幕出現繞射田形。
3．用筆於亮點處點上記號，並註明中心最亮點。
4． 如原理所述量出 X，D，代人 (2)，(3) 式求出 Vd。
口孔方陣 (gauze array round hoIes) 、 六角排列 (hexagonaI array of round holes)
等等怡同享們自行棉察。
反射式光柵 (reflection grating)
[原理]
(1) 成像原理 :
考慮一列等間隔並排的曰柱體，受一單向光波照射，則其反射當如日一，向各方向發散
。若光波具有良好的同調性，具單一波長A，則各曰柱伍的反射波形成良好干涉，如日二
之時，在R處即形成一相長干涉之亮紋，其中m=O，士1，土2……
注意 : 這亮紋的出現條件和被照射的囗柱總故是無關的 (為什麼? )
本直驗中我們使用鋼尺的刻線當反射體，因而將光束打在其最小刻度
上，其道理和上述大致相可，如日三
(2) 利用亮紋推算入射光波長 :
見日四，若工代表雷射光直射點 (即末加綱尺時) ，D為幕到尺之距確， 而為X距中
心最亮點之距離，h為X距次亮點之距離，依次類推。
則中心的 "最亮點" 出現的位置是當反射角等於入射角i的時候，BDi=ro。此時若測出
仿為中心的 "最亮點" 到直射點的距離，"
[實驗步乃]
1．將固定載片架取下，置可旋轉之載片架於雷射光前。
2．將鐵尺置於載片架上，使雷射光照射在鋼尺前端0．5mm的刻度上 (注意不是inch的單
位)
3．旋轉載片架至幕上可看到清楚的干涉紋 (見注意事項) 。 ．
4．用筆於亮紋處做下記號，並註明最亮點。
5．移去尺或載片架，使雷射光直射幕上，記下X點。
6． 由原理所述求出 A。
注意事項
1．由於幕上的範圍有限，必須先確定工及反射光點(m=O，士1，士2 皆落於幕上以便於
測量。
2．欲使rm 之間分隔較大，以便棉察，最好選擇i接近90"。 (為什麼? )
[思考問缸]
亮紋的出現角度rm和被照射到刻線總數有卅嗎?
若無，總數的增加有什麼影兮?
在上一頁田二中，其入射角和反射回來的角度似乎並不一定相同，這和我們所熟知的反
射定律，有矛盾之處嗎?
回答注意事項中的問題 (提示 : Wsinrm+l一sinrm) = A， Arg仁川Vcos，，這表示…
[ V 全像術 (Holography)]
[原理]
全像攝影是可以將物體的像記錄及再產生出來的一項技術。它與一般二維空間的
同，它的像是真正三維空間的。若將物體各面都記錄下來，則在塌察全像時，可從不同
向看到物體不同的面。
全像底片的製造，乃是用高解像度的底片，經由一參考光源及由物體散射出的光干
留下干涉條紋 (參考光及由物體散射出來的光要是同一相干光源(coherent source) 才行
觀看全像片時，係將參考光以原方向射向底片。而原本的干涉條紋則使此參考光
射棘應，而在底片的另一側形成模仿原物扛在沒有底片存在的情況下朝此方向散射而
波也就是註我們看見原物體的虛像，如田二。
[實驗步打]
(A) 確定在雷射光照射的路徑上沒有人走動，關掉日光燈，以便硯察。
(B) 將標有Hologram的全像底片，架在載片架上。然後將白色的那面朝向光源，且
夾45" 角。開雷射 (如囗二所示)
(C) 若經過以上步驟還觀察不到的話，則沿著垂直於全像底片面的軸，像全像旋轉180度，
再觀察。
(D) 在看清楚像後，可開始將頭左右移動，如此將可發現其三維空間的特性。
(E) 可以將眼睛順著雷射光入射方向看，觀察一下賓像的情形。
光的偏振現象
[原理]
光是一種振動的電磁場，其振動的方向可以不只一個。
， 只含朝一個方向振動的電場的光波，叫作線偏振光日nearlypolarized light)，常簡稱為 r
偏振光」。而一般的光波，例如本直驗所用雷射光產生器所產生的，其電場方向則非單一，
日非偏振光 (unpolarizedlight) 。
一般的非偏振光，可使用偏振片將其大致過濾為偏振光。
光波的行進至物質界面處，常有一部分反射，一部分透過界面。其反射、透射的相對比
率隨入射角度不同而不同，同時也和原先東的偏振方向有關。如田一所示的不同偏振方向的
光波，其反射率隨入射角度的妄化關係分別繪於田二 (這是根據電磁理論，以空氣射向折射
率約1．5 的玻璃為例計算的結果) 。請注意當几 =BB Etan一ln時， "平行" 偏振光的反射
率恰為零 (見日三) ，這Brewster角，你可在本寅驗中看到此現象。
電場偏振方向 "平行" 於入射平面 :
[實驗步屁]
偏振板一
．取一偏振板(Polaro、d) 置於固定我片架上，直於電射光源前方。
．取第二片偏振板與之重亡，使光源通過兩婦垢板，擇繹埠叨第二片停振氏，注
光點最暗時兩片偏振板的相對位置。
．透過偏振板觀看你的皂子表或計算機顯示幕，並且傳動板的方向，你看見什麼
布魯斯特角 (BrewsteA mgle) 一
．保持第一片偏振板於固定載片架上，此時通過此偏振板之雷射光為偏振光。
．取一載玻片置於刻有角度的旋轉囗盤上，使偏振的雷射光入射於其面上 (如囗
．自入射角的0" 開始，緩緩冉動戊玻片。現察投射在黑幕上的反射光點，當光
，記錄所轉動的角度昨。則玻璃折射率即為忱n8B。
、若發現光點亮度並末星化，則將偏振板旋埤90" (為什麼? ) 。
[思考問旦]
試孝忠如果你在海上釣魚，崙長時間面對水面反射的刺眼陽光，你該採用什口
振片作為太陽眼鏡?
(1) 可將入射光分解成囗一所示的兩種偏振成份來者慮。由囗二可知，在你一般所注視
的反射角度範圍內，應以哪個成分的反光為生? (水的折射率雖然和玻璃不同，但
反射率隨角度的望化大致也和囗二相仿。)
(2) 不妨用你的眼睛，隔著偏振甘，棉察鄰組的扛燈照射在寅桌面上形成的低角度反光
。藉著旋轉偏振片時你所感二到的亮度笙化，來檢證你對這個問題的答案。
2，茁察布魯斯特角時為什麼不直接看玻璃片上的反射光亮點的強度皇化，這樣不是此較省
事嗎?
VlI、旦克力棒的光學現象
[原理]
1．模擬全反射的現象
在光絨內傳播的電磁波由於在介面的兩介質折射率不同造成了全反射的現象，此時的入
射角稱為臨界角，而出射的角度為90"，大於此臨界角入射的光線都會有反射。 (如田一)
2，偏折現象
參考W部分的原理介紹，光波經過介面的反射，隨著入射角度的不同，會有不同的偏振
現象。
光線經過丁介質時，會有一部份散射的光線進入我們的肉眼，使我們易於拐察它經過的
光路，這種散射的光線也會有偏振的現象‥
[實驗]
全反射的現象
如圖二拿起壓克力棒，將一端對準雷射光源，棍察雷射光通過此棒而從另一
的情形，這就是壓克力棒的全反射現象。
偏振現象
(1) 取一偏振片拿在手上，眼睛透過此偏振片看前面第凹部分所造成的在座克
的光路。
(2) 轉動此偏振片，觀察是否光線有強弱的變化。
做完後先關閉雷射光的遮板及電源，再關閉總電源。
[思考問題]
壓克力棒所觀察到的上述現象，是否在其他材料上也一定會有，為什麼?
試比較散射造成的偏振現象，和反射造成的偏振現象 (第川部分有討論)
解其原理部分並和同學討論之。
儘
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