2013年2月6日

科學玩具-光學-以光作畫之雷射光柵片(基本圖形)


為什麼會發現這樣的現象呢?其實真的是靈光乍現。前幾篇有關光柵的文章都已經把不用公式的、該知道的、普通白話解釋得清楚的,都已經寫過了。所以當有一天窮極無聊時,把手邊的雷射筆和光柵板做一個結合,卻赫然發現奇特的現象映照在房間的牆壁上。一條包圍房間內牆壁的光線讓我腦海中浮現許多想法,只知道研發又要開始了!

很多時候真的會有很多人在不同的地方做相同的事,或是有相同的體驗、創造,尤其是身為思考頻率相同的科學教師。以這次的雷射和光柵為例,本來是希望在2010物理教學與示範研討會的工作坊中呈現的,但是因為時間的因素,所以保留下來日後發表。而且原本的構想也是想在下次的大型研討會再分享的,不過卻蠻驚訝日本那邊科學教師社群比我更早貼上來分享,值得佩服的是日本科教社群的資料更新比台灣任何一個社群更快、也更好。若是不加油,彼此互通有無,單打獨鬥真的會被知識的洪流所淹沒。

這篇文章所展示的基礎圖形有下列幾種,基本上可以分為弧、圓形、橢圓形和方形。為了更進一步地研發(其實是想一較高下,拋磚引玉,讓國外也知道台灣的科教也不落人後),這次的照片我所選擇使用的是功率比紅光更強大的綠光雷射,可以探知更多其他級數的亮區。
圓形是最簡單也最純粹的呈現方式,照片中的圓是由兩道對稱的弧所構成
形成方法就是將光柵板平放,將雷射光以大角度入射前方的光柵板即可

圓與橢圓的成因有兩個,也因為這兩個原因而造成幾近對稱的圖形。照片中上方的的圓弧是因為反射後的干涉,而下方的另外一個圓弧則是因為透射後的干涉。所以依不同的角度所各自形成的干涉對稱圖形就組合成完整的圓或橢圓。但若仔細觀察,可以發現圓周上有兩個缺口,那是因為光柵板所形成的暗區正好在那邊,如果旋轉光柵,缺口亦會跟著轉動。
雷射光穿過光柵板也可以形成橢圓,差別就在於板子的拿法與入射角的不同而已
橢圓與圓是互為變形,圓是橢圓的特例,不妨自己試試看

但是有什麼理由說這種現象是光的干涉呢?像這一類型的光柵稱為Blazed Grating,是一種特殊類型的繞射光柵。它會在有特定光的波長通過時,會產生最強烈的干涉。它和一般光柵比較不同的是使用了一連串重複的溝槽,依照規格和形式的不同,會產生不同程度的干涉現象。我所使用的規格就是LPI75LPI50
其實這圓弧是由一連串的干涉光點所組成,只不過距離太近,所以還看不太出來
而「弧」依距離遠近,還可以將繞射之後的各級干涉點分得更開哦

只要將距離拉開即可呈現它的原貌
這些映照在房內四周牆壁的雷射干涉圖形放大之後,就像是以光點作畫般排列

H版或K版的光學教具中有一組雷射光指示盒,其鏡頭前都有光柵,其實可以很容易就被觀察到。這些光柵可以讓原本集中成一束的雷射光以干涉的方式水平發散出去,這樣才能映照在黑板上,也才能呈現直線條紋。但既然在黑板的方向上會呈現,也就代表水平射出雷射光會射向學生那一邊,所以教師在裝設這組裝置時,雷射光源要高於學生的頭,不然眼睛會被掃射到,造成危害。

以上是一片光柵所形成的現象,但如果是兩片甚至是兩片以上呢?變化就多囉!像底下這張歪斜四邊形的其中一角,就很清楚地呈現出干涉圖像,怎磨做?先想一想,試著自己操做看看,下一節再告訴你。
雷射光穿過光柵所形成的歪斜四方形的其中一邊
邊長歪斜的成因則是跟光柵板的弧度有關

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