DIFRACCIÓN E INTERFERENCIA - Departamento de Física

UNIVERSIDAD TECNICA FEDERICO SANTA MARIADEPARTAMENTO DE FISICALABORATORIO FIS 140-129DIFRACCIONDIFRACCIÓN E INTERFERENCIAOBJETIVO: Observar y medir los fenómenos de la difracción e interferencia de luz en ranuras.EN EL LABORATORIOPara el estudio de la difracción de la luz usted dispondrá en el laboratorio de un sistema óptico queconsta de una fuente de luz (un láser de He-Ne), un regulador de intensidad (un par depolarizadores con ángulo variable entre ellos), una ranura de ancho variable y placas diapositivascon ranuras de ancho fijo, además de un detector de intensidades tipo CCD (charge-coupled device,Cámara Videocom). Con este equipamiento usted deberá observar y medir el efecto que los distintosobstáculos disponibles tienen en la intensidad de la luz que pasa a través de ellos.1. Polarizadores. Disponga el sistema óptico como indica la figura Nº1 del apéndice I. Energiceel láser (PRECAUCION: No observe la luz del láser en forma directa. Esto puede producirdaño permanente en su visión). Verifique cualitativamente el efecto de cambiar el ánguloentre las placas polarizadoras. Use como pantalla un papel blanco.2. Una ranura. Mediremos el efecto de difracción de una ranura interponiendo entre lospolarizadores y la cámara Videocom una ranura de 0.25 [mm] a 0.05 [mm] de ancho. Paraello utilizaremos una ranura de ancho variable que regularemos con una placa metálica deespesor calibrado. Utilizando una pantalla (papel blanco) observe la intensidad del hazdifractado. Describa lo observado.Haga incidir el haz sobre el detector (en este proceso trate de no modificar la posición de lacámara, si esto fuera necesario avísele a su ayudante). Mida al menos dos anchos en el rangoespecificado.La cámara Videocom está conectada a un computador personal que despliega la intensidad de laluz en cada uno de sus pixeles. Ajuste el ángulo entre los polarizadores para que la intensidadmáxima detectada por la cámara alcance a un valor cercano al 75% del máximo detectable. Elprograma que controla la cámara puede además simular el patrón de difracción. Introduzca losvalores de distancia entre el CCD y la ranura y otros parámetros que permitan evaluarteóricamente la intensidad. Ajuste la ranura para que su normal coincida con la normal del CCD.Haga esto observando que los máximos simétricos respecto del máximo central posean la mismaintensidad.1

UNIVERSIDAD TECNICA FEDERICO SANTA MARIADEPARTAMENTO DE FISICALABORATORIO FIS 140-129DIFRACCIONUtilizando la posición del primer mínimo de difracción estime el tamaño de la ranura. Seacuidadoso en incluir el número de cifras significativas apropiadas. Imprima los gráfico deintensidad vs ángulo medido y su simulación. Comente sus resultados. Verifique qué sucedecon la distancia entre los máximos si aumenta al doble y disminuye a la mitad el ancho de laranura.3. Varias ranuras. El equipo suministrado incluye tres diapositivas que tienen varios conjuntosde ranuras (rejilla). Estudie el efecto en la difracción de:• Cambiar el número de ranuras, manteniendo constantes la distancia entre ranuras y el anchode estas.• Cambiar la distancia entre ranuras, manteniendo constantes el ancho y el número de éstas.• Cambiar el ancho de las ranuras y mantener constantes el número y distancia entre éstas.Imprima una medición para cada caso y comente la influencia de cada una de las variablesanteriores en el patrón de difracción resultante. Incluya las simulaciones correspondientes en cadagráfico. Etiquete con los números característicos cada máximo del patrón resultante.ANTES DEL LABORATORIOACTIVIDADES:• Estudiar aspectos teóricos de la difracción de la luz.• Estudiar el funcionamiento de la cámara (anexo I) y el manual del programa.• Leer apéndices I y II.• Estudie las siguientes preguntas.1. ¿Cuales son las principales características de un láser de He-Ne?2. Dibuje las curvas teóricas para la intensidad debida a la difracción de luz monocromática enlos siguientes casos (ver apéndice correspondiente):⇒ Ranura de ancho (b) igual a 300 longitudes de onda (λ).⇒ Ranura con b = 600λ.⇒ Rejilla de 5 ranuras con ancho de las ranuras de 300λ y distancia entreranuras de 400λ.3. ¿Qué sucede con la distancia entre los máximos si se modifica el ancho de la ranura?2

UNIVERSIDAD TECNICA FEDERICO SANTA MARIADEPARTAMENTO DE FISICALABORATORIO FIS 140-129DIFRACCIONAPÉNDICE IA continuación se indican las fórmulas para las distribuciones teóricas de intensidad.RANURA:I≈2 ⎛ b ⎞sin ⎜πsinθ⎟⎝ λ ⎠2⎛ b ⎞⎜πsinθ⎟⎝ λ ⎠λ: Longitud de onda, b: Ancho de ranura, θ:: Angulo de difracciónREJILLA:2 ⎛ b ⎞ 2 ⎛ d ⎞sin ⎜πsinθ⎟ sin ⎜ N π sinθ⎟≈⎝ λI⎠ ⎝ λ ⎠*2⎛ b ⎞2 ⎛ d ⎞⎜πsinθ⎟ sin ⎜πsinθ⎟⎝ λ ⎠ ⎝ λ ⎠λ: Longitud de onda, b: Ancho de ranura, N: Número de ranuras, d: Distancia entre ranuras,θ: Angulo de difracciónSEMIPLANO:λ: Longitud de onda, f: Distancia entre CCD y semiplano, x: Posición en el CCD.Bibliografía Sugerida:• Resnick-Holliday, Física, Parte II, Capítulos 40, 43 y 44.• Hetch & Zajac, Optica, Fondo Educativo Interamericano3

UNIVERSIDAD TECNICA FEDERICO SANTA MARIADEPARTAMENTO DE FISICALABORATORIO FIS 140-129DIFRACCIONAPÉNDICE IIVIDEOCOM INTENSIDADESFigura Nº1, Disposición en el laboratorio.En esta experiencia se trabajará con una cámara denominada VIDEOCOM que registra las intensidadesluminosas de la luz que incide sobre los 2048 pixeles de un dispositivo CCD (Charge-Coupled Device). ElCCD mide la distribución de intensidad y envía la información a un computador, en él se procesa la mediciónmediante un software llamado VIDEOCOM INTENSIDADES.Figura Nº2: Pantalla principal del programa VIDEOCOM INTENSIDADES. Se muestra unatabla de valores además de un gráfico de las intensidades como función del ángulo onúmero de pixeles. Los botones se utilizan para realizar distintas operaciones a losdatos medidos.4

UNIVERSIDAD TECNICA FEDERICO SANTA MARIADEPARTAMENTO DE FISICALABORATORIO FIS 140-129DIFRACCIONLos botones que aparecen en el programa permiten realizar diversas tareas que se describen acontinuación.Borra la medición actual conservando su calibración, o borra la calibración actual si estápresente alguna otra medición.Carga una serie de medición con su calibración y sus evaluaciones y con ello borra la serie demedición que ha estado presente anteriormente.Almacena la serie de medición actual con su calibración y sus evaluaciones.Imprime el diagrama actual.Inicia o detiene una medición con las resoluciones de 256 ó 2048 pixeles.Al presionar este botón se ingresa al menú que permite calibrar la cámara (ángulo dedifracción, longitud de onda) así como también mostrar curvas teóricas.Representa el contenido de la línea de estado (coordenadas del cursor) en una ventana grandeo la oculta.Los botones denominados intensidad I1 y referencia I2respectivas tablas.permiten almacenar los datos en lasEl botón transmisión T=I1 / I2 permite cargar datos en la tabla intensidad I1 y graficar la relación I1 /I2 (se supone que la tabla para I2 ha sido previamente cargada).5