Kolimator

Kolimator
Rysunek pokazuje sytuację idealną. Z punktowego źródła światła Z1 wychodzi rozbieżna fala
kulista. Idealna soczewka przekształca ją na zbieżną falę kulistą, która zbiega się do punktu Z 2.
Rysunek 1. Z punktowego źródła światła Z1 wychodzi idealna fala kulista. Fala ta pada na
idealną soczewkę i jest transformowana na inną falę kulistą zbieżną do punktu Z 2.
Niestety taka sytuacja jest w praktyce niemożliwa.
Pytanie 1: dlaczego nawet idealna soczewka, nie spowoduje, że idealna kulista fala zbiegnie
się do punktu?
Pytanie 2: Od czego zależy krzywizna powierzchni fali kulistej po przejściu przez soczewkę –
załóż, że układ jest idealny.
Kolimator jest urządzeniem, które pozwala z fali kulistej zrobić falę płaską (rys. 2), to jest falę
o płaskiej powierzchni falowej.
Rysunek 2. Gdy punkt źródłowy znajduje się w ognisku idealnej soczewki, fala kulista
transformowana jest w falę płaską
Niestety dostępne źródła światła emitują fale, które nie są kuliste. Dlatego fala płaska jest
uzyskiwana w dwóch etapach. W pierwszym etapie wiązka ze źródła światła (w naszym
wypadku jest to laser) jest ogniskowana, a następnie przepuszczana, przez mały otworek, tzw.
pinhole. Przyjrzyj się dobrze rysunkowi 3 i postaraj się zrozumieć rolę pinhola. Zwróć uwagę na
fakt, że pinhole przepuszcza tylko te promienie, które mieszczą się w obszarze otworu. Są to
promienie, które odpowiadają fali kulistej, lub bardzo podobnej do fali kulistej. To podobieństwo
jest tym większe im mniejszy jest otwór pinhola.
Rysunek 3. Kolimator składa się z obiektywu ogniskującego o ogniskowej f o, pinhola
i obiektywu kolimującego o ognikowej f k. Oba obiektywy są ustawione względem siebie tak, że
ich ogniska spotykają się w płaszczyźnie pinhola. Z lewej strony, kolorem niebieskim
narysowana jest powierzchnia falowa fali padającej. Kolorem czerwonym zaznaczona jest
powierzchnia falowa fali kulistej najbardziej dopasowana do powierzchni falowej fali padającej.
Kolorem niebieskim narysowane są promienie przechodzące przez pinhole. Promienie
zatrzymane przez pinhole narysowane są innymi kolorami.
Z pinhola wychodzi fala prawie kulista. Ta fala jest następnie przekształcana przez obiektyw
kolimujący w falę płaską. Z rysunku 3 widać, że im mniejszy jest pinhole tym fala z niego
wychodząca lepiej odpowiada idealnej fali kulistej. Jednak im mniejszy jest pinhole tym więcej
tracimy energii światła (więcej światła zatrzymywane jest na brzegu pinhola)
Pytanie 3: Pomijając kwestie utraty energii na małym otworze, wskaż jeszcze jeden istotny
powód (nie uwzględniany przez optykę geometryczną), dla którego zmniejszenie średnicy
pinhola poniżej pewnej granicy nie ma znaczenia.
Pytanie 4. Czy rozmiar pinhola powinien być dobierany do zdolności zbierającej ogniskującego
obiektywu, czy są to parametry niezależne?
Pytanie 5. Jakie znaczenie ma stosunek ogniskowej obiektywu kolimującego do ogniskowej
obiektywu ogniskującego?
Zadania do wykonania.
Uwaga: prowadzący może wzbogacić poniższą, zalecaną jako minimum, listę zadań
1. Ustaw układ kolimatora:
Zapytaj się prowadzącego o kolejność czynności przy justowaniu kolimatora
Uwaga: ustawienie kolimatora przez niewprawną osobę wymaga dużo cierpliwości i wiary
w sukces.
2. Zbadaj jakość uzyskanej fali płaskiej przy pomocy płytki płasko-równoległej.
3. Zbadaj płaskość fali, przy pomocy płytki płasko-równoległej, przy lekkim odsunięciu
obiektywu kolimatora do przodu i do tyłu od optymalnego położenia. Jaka fala wtedy
powstaje? Jaka jest jej zbieżność?
4. Wykorzystując falę płaską użyj bipryzmatu Fresnela do wytworzenia prążków
interferencyjnych
5. Przy wstawionym biprymacie Fresnela zmień położenie obiektywu kolimującego, co
się wtedy dzieje z układem prążkowy
6. Powtórz punkty 2,3,4 po wyjęciu z układu kolimatora pinhola; skomentuj wyniki