XX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Распространение света в нелинейной среде

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Гоголев С.Н. 1

---

1МАОУ "Лицей №38"

Тукова Н.Б. 1

---

1МАОУ "Лицей №38"

Работа в формате PDF

2.4 MB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

«Распространение света в оптически нелинейной среде»

Исследование оптически нелинейных сред, актуально и представляет интерес с фундаментальной точки зрения. В практическом плане оптические характеристики таких сред в последнее время активно изучаются в связи с возможностями создания с их помощью оптических систем, имеющих преимущество перед классическими: компактность, надежность и др.

Цель работы: исследовать некоторые параметры одной из оптически нелинейной сред.

Предметом исследования являются оптические свойства нелинейной среды.

Поставленные задачи:

• Поиск соответствующей теме литературы

• Просмотр существующей теории

• Выбор среды для исследования

• Изучение свойств выбранной среды и доказательство её нелинейности

• Изучение физических процессов в выбранной среде

• Изучение оптических свойств среды путем проведения экспериментов

• Анализ полученных данных, установление зависимостей

• Формирование общего вывода

Научная новизна работы заключается в том, что большинство нелинейных сред представляют собой растворы органических веществ, свойства которых лишь недавно начали активно изучаться и являются объектом перспективных исследований.

Обзор литературы

2.1 Обзор

Для сбора сопутствующей теме информации были использованы учебники, научные пособия и статьи, содержащие информацию о свойствах оптически нелинейных сред.

При изучении материала основное внимание уделялось физическим процессам, происходящим в нелинейных средах. Эффект, которому было уделено наибольшее внимание был эффект тепловой линзы.

При поглощении излучения активная среда нагревается, в результате чего изменяется её показатель преломления:

(2.1.1)

где: n(0) – показатель преломления в отсутствие излучения; dn/dT – температурный показатель преломления среды.

При рассмотрении активного образца, теплота в основном отводится от периферийной области. Поэтому максимальная температура образца наблюдается в приосевой области (Рис.1).

Рис.1 – пример распределения температур в активном образце окружной формы.

Таким образом, в зависимости от показателя преломления, одни области образца становятся оптически более плотными, чем иные. Если температурный показатель преломления среды больше нуля (dn/dT>0), то приосевая область образца становится оптически более плотной, а если показатель меньше нуля (dn/dT<0), – менее плотной.

Поскольку в оптически неоднородных средах световые лучи отклоняются в область с большим значением показателя преломления, в случае dn/dT>0 образец проявит свойства собирающей линзы, в случае dn/dT<0 – рассеивающей (Рис.2,3).

Рис.3 – распределение температур в активном образце через некоторое время после начала действия излучения. Тепло распределено более равномерно.

Рис.2 – распределение температур в активном образце незадолго после начала действия излучения. Тепло сконцентрировано в приосевой области.

2.2 Вывод

Нами была изучена сопутствующая теме информация, а также подробно рассмотрен эффект тепловой линзы.

• Изученная нами литература не содержала полных и систематизированных сведений о свойствах оптически нелинейных сред.

• Нами выдвинута гипотеза о выполнении эффекта тепловой линзы в средах, изменяющих свою плотность при изменении температуры, поскольку из формулы Лоренца-Лоренца следует, что показатель преломления вещества зависит от плотности этого вещества:

- формула Лоренца-Лоренца (2.2.1)

(2.2.2)

где: N – концентрация; α - электронная поляризуемость молекул; k – количество частиц вещества, ρ – плотность, m – масса.

Изучаемая среда

3.1 Выбор

Для исследования был выбран дешевый соевый соус торговой марки «Просто» (Рис.4). Состав: вода, соевые бобы, пшеница, соль, сахар, бензоат натрия; пропорции неизвестны. 100 г соуса включает: 11 г углеводов, 2 г белков, 0 г жиров.

Рис.4 – соевый соус «Просто»

3.2 Доказательство связи температуры и плотности среды

Из пункта 2.2. известно, что показатель преломления связан с плотностью среды. Докажем, что плотность выбранной среды зависит от её температуры.

Оборудование: мензурка, весы электронные Supra BSS-4095, тепловизор CEM DT-870

Рис.5 - экспериментальная установка для исследования зависимости плотности от температуры среды.

В результате эксперимента получены были получены данные и построен соответствующий график:

3.3 Вывод

Плотность выбранной нами среды зависит от её температуры: плотность уменьшается с ростом температуры. Показатель преломления среды зависит от температуры.

Исследование оптических свойств

4.1 Эксперимент 1: прямое доказательство изменчивости оптических свойств среды

Чтобы непосредственно доказать способность выбранной среды изменять свои оптические свойства проведем эксперимент: сравним изображения от источников излучения, полученных при прохождении света через исследуемую среду.

Оборудование: штатив лабораторный, кювета, лазерные источники (405 нм, 0,05 В; 530 нм, 0,3 В; 650 нм, 0,3 В), фотоаппарат Canon 1000D, фоторедактор Photoshop, образец оптически нелинейной среды

Экспериментальная установка (Рис 6): на штативе на небольшой высоте (порядка 10 см) закреплена кювета так, чтобы её донышко лежало в горизонтальной плоскости. Под штатив положен черный экран. Источник лазера закреплен над кюветой так, чтобы луч, проходя через исследуемую среду падал на черный экран. Луч от лазера идет вертикально, перпендикулярно дну кюветы и экрану. На экране присутствуют белые маркеры для сравнения размеров изображения.

Рис.6 – экспериментальная установка для эксперимента 1.

В результате эксперимента были получены снимки для каждого лазера для разных температур образца (Рис.7). Также предварительно сняты изображения, полученные при прохождении лазера через пустую кювету (Рис.8,9). Настройки камеры: светочувствительность (ISO) – 1600, закрытие диафрагмы – 4,5/F, выдержка – 1/40 сек.

Рис.7 – снимки, полученные в ходе эксперимента 1.

Рис.8 – изображение, полученное при прохождении красного лазера через пустую кювету.

Рис.9 – изображение, полученное при прохождении синего лазера через пустую кювету.

Помимо них были сделаны снимки в инфракрасном диапазоне (Рис.10, 11, 12):

Рис.11 – распределение температур внутри охлажденного образца.

Рис.10 – распределение температур внутри нагретого образца.

Рис.12 – температурный градиент образца в области поступления излучения

Сравним пятна полученные, при разных температурах:

• Зеленый свет (530 нм) продемонстрировал явное уменьшение изображения при охлаждении среды (Рис.13)

Рис.13 – сравнение пятен зеленого света (слой активного образца – 4 мм).

• Красный свет (650 нм) продемонстрировал незначительное уменьшение изображения при охлаждении среды. A/2R – почти не изменяется с T: A/2R=0,49 [t=53˚C], A/2R=0,47 [t=11,5˚C] (Рис. 14).

Рис.14 – сравнение пятен красного света (слой активного образца – 5 мм).

• Синий свет (405 нм) продемонстрировал отличный от других цветов вид пятна, явно видно изменение яркости пятна.

Рис.15 – сравнение пятен синего света (слой активного образца – 2.5 мм).

Вывод:

• У выбранной среды изменяются оптические свойства с изменением с изменением её температуры.

• На инфракрасном снимке, приведенном выше (Рис.12), мы видим градиент температур вокруг точки вхождения луча. Это говорит нам о присутствии эффекта тепловой линзы.

• 4.2 Эксперимент 2: фокусное расстояние среды

Фокусное расстояние – один из параметров среды. Для его измерения и исследования его изменения проведем эксперимент.

Оборудование: штатив лабораторный, кювета, лазерные указки (405 нм, 0,05 В; 530 нм, 0,3 В; 650 нм, 0,3 В), фотоаппарат Canon 1000D, фоторедактор Photoshop, образец оптически нелинейной среды.

Экспериментальная установка (Рис.16): возьмем установку из эксперимента 1 и дополним её измерительной шкалой (линейкой).

Рис.16 – экспериментальная установка для эксперимента 2.

В результате эксперимента была получена серия снимков (Рис.17). Настройки камеры: светочувствительность (ISO) – 800, закрытие диафрагмы – 4,5/F, выдержка – 1/10 сек. Для измерения фокусного расстояния мы воспользовались фоторедактором Photoshop, который позволил нам измерить длину линейки и фокусное расстояние в пикселях (Рис.18). Далее эти данные были соотнесены.

Рис.17 – снимки, полученные в ходе эксперимента 2.

Рис.18 – метод измерения фокусного расстояния.

Пучок зеленого света (530 нм), собранного в образце, принимает форму конуса (Рис.19). Зеленый свет продемонстрировал нелинейное увеличение фокусного расстояния с ростом температуры.

Рис.19 – сравнение «конусов» зеленого света в образце.

В результате эксперимента получены данные значения:

Построен график зависимости F(T):

«Конус» красного света (650 нм) в вертикальном положении не поместился целиком в кювете, и фокусное расстояние не могло бы быть измерено точно (Рис.20). Для проведения эксперимента была пересобрана экспериментальная установка.

Рис.20 – красный «конус»; проблема определения фокусного расстояния.

В новой экспериментальной установке лазер пропускался горизонтально, снятие показаний происходило над кюветой (Рис.21).

Рис.21 – сравнение «конусов» красного света в образце.

В результате эксперимента получены следующие показания:

Построен график зависимости F(T):

Красными треугольниками на графике обозначены точки, требующие дополнительных исследований.

Синий пучок (405 нм) принял особенную форму усеченного конуса (Рис.22). Наша гипотеза заключается в том, что фокусное расстояние для короткой волны намного меньше высоты видимой на фотографиях фигуры, а наблюдаем мы свет, распространяющийся по среде после преодоления фокуса и принимающий форму песочных часов (Рис.23).

Рис.22 - сравнение глубины распространения синего света в образце.

Рис.23 – схема возможного поведения синего света в среде.

В результате эксперимента получены данные значения:

Построен график зависимости F(T):

Красными треугольниками на графике обозначена точка, требующая дополнительного исследования.

4.3 Поляризация света

Для изучения свойств поляризации образца была создана экспериментальная установка (Рис. 24) из тонкого стеклянного сосуда (Рис. 25), в котором помещался образец и полароид на поворотном механизме.

Рис. 24 – экспериментальная установка 3

Рис. 25 – образец, использованный для изучения поляризационных свойств средысвойств

Рис. 26 – показания, полученные в ходе эксперимента 3

Лазер пропускался через полароид, затем через линзу. Максимумы и минимумы пропускания света фиксировались по яркости пятна. Результатом эксперимента стали два полароида, с метками о яркости пятна (Рис. 26). Данные для первого полароида были получены при его просвете через пустую тару. Данные для второго – при просвете образца.

Говорить о точном угле поляризации среды мы не можем, так как не знаем влияние стеклянной тары на него, однако из эксперимента следует, что образец поляризует свет.

4.4 Выводы по экспериментам

Проведя эксперименты и выполнив их анализ, мы приходим к следующим выводам:

• Оптические характеристики изучаемой среды зависят от её температуры.

• В исследуемой среде волны разной длины ведут себя по-разному.

• Фокусное расстояние образца среды зависит от его температуры: зависимость нелинейная, фокусное расстояние растет с температурой среды.

• Фокусное расстояние образца среды зависит от длины поступающей волны: для коротких волн фокус короче, чем для длинных (Рис.27). Это вызывает хроматическую аберрацию света, проходящего через образец.

Рис.27 – сравнение распространения в среде зеленого и синего света.

• Исследуемая среда поглощает короткие волны активнее, чем длинные.

• Исследуемая среда поляризует свет.

• Итог

• 5.1 Общие выводы

• Изучена доступная литература по теме “ Тепловая линза в жидкости”.

• Составлен план исследования.

• Созданы рабочие экспериментальные установки.

• Доказана зависимость плотности исследуемой среды от ее температуры.

• Доказано изменение оптических свойств среды с изменением температуры среды.

• Проведен эксперимент по измерению фокусного расстояния нелинейной жидкостной линзы для длин волн 405, 530 и 650 нм.

• Исследовано изменение фокусного расстояния нелинейной линзы для волны 405, 530 и 650 нм: получен график зависимости F(T).

• Выдвинута гипотеза о изменении фокусного расстояния нелинейной линзы для волны 405 нм.

• Рассмотрена поляризация света средой.

• Составлен план для дальнейших исследований.

• 5.2 План дальнейших исследований

• Усовершенствовать эксперимент 3 и продолжить изучение эффекта поляризации в образце.

• Определить вязкость и химический состав среды, объяснить качественно причины наблюдаемых явлений.

• Источники информации

• "Физика процессов в генераторах когерентного оптического излучения" - Л. В. Тарасов (1981 г.)

• American Journal of Physics 85, 522 (2017 г.)

• “Оптика” Г.С. Лансберг (2003 г.)

• Новостной сайт ИТМО ( https://news.itmo.ru/ru/news/8800/ )