Автоматизированный лабораторный комплекс предназначен для проведения лабораторных и практических работ по разделам «Оптика» и «Методы исследования веществ» для применения в образовательном процессе в высших, средних и средних специальных учебных заведениях естественно-научного профиля при подготовке специалистов в области физики, химии, геологии и физического материаловедения с учетом высоких современных требований, предъявляемых к научно-техническому уровню образования.

Методические особенности комплекта «Оптик».

Особенностью автоматизированного лабораторного комплекта «Оптик» является использование квазиоптических элементов: линз, диафрагм, зеркал, поляризаторов и т. п., позволяющих формировать квазипараллельные пучки в открытом пространстве без использования волноводов. “Квазиоптичность” элементов определяется тем, что хотя их размер L и превышает существенно длину волны λ (L/λ∼10-100), но все же это превышение не столь велико, чтобы можно было бы пренебречь дифракционными явлениями, как в оптике, где L/λ∼10⁵-10⁶.

Несмотря на некоторую не параллельность пучков, создаваемых квазиоптическими элементами, и невозможность сфокусировать излучение в “точку”, квазиоптическая методика позволяет осуществить большинство традиционных оптических лабораторных экспериментов, включая задачи интерференции, дифракции и спектроскопии. Квазиоптические элементы и пучки позволяют передавать с малыми потерями и расходимостью миллиметровое излучение на расстояние порядка нескольких метров, что вполне достаточно для большинства экспериментальных установок, работающих в миллиметровом диапазоне длин волн. При этом размеры квазиоптических элементов остаются в разумных пределах 10-20 см.

Необходимо отметить, что перенесение оптических элементов в миллиметровый диапазон длин волн имеет важное преимущество, поскольку это существенно облегчает юстировку оптических схем и не требует использования точной механики. Поэтому работы практикума позволяют студентам приобрести “чувство оптического эксперимента” и ”потрогать руками” сложные оптические явления, не опасаясь перекрутить винт тонкой регулировки на пол-оборота. Кроме того, при изучении практикума студенты приобретают навык настройки оптических схем в диапазоне частот недоступных человеческому глазу.

В общем курсе физики существенное место отводится изучению шкалы электромагнитных волн, причем акцентируется единая природа различных электромагнитных излучений – от рентгеновского до радиоволн. АЛК «Оптик» материализует этот теоретический принцип, поскольку, несмотря на изменение длины волны в 1000 раз и более оказывается возможным наблюдать те же оптические явления и реализовать те же оптические эксперименты, что и в видимом диапазоне. Поэтому данный практикум может рассматриваться как существенное дополнение к стандартным лабораторным работам при изучении курса оптики.

Вместе с тем, переход к миллиметровому диапазону длин волн не сводится только к масштабированию оптических экспериментов и представляет самостоятельный интерес. Во-первых, миллиметровый диапазон длин волн позволяет легко моделировать такие сложные задачи, как дифракция рентгеновских лучей в кристаллах. При этом студенты получают возможность изучать основные принципы рентгеноструктурного анализа, не прибегая к сложным установкам повышенной опасности, и не расходуя время на обработку фотоматериалов и фотометрирование.

Во-вторых, миллиметровый диапазон длин волн представляет собой исключительный интерес для физики конденсированного состояния и молекулярной физики. В этот диапазон попадают характерные частоты вращательных движений молекул газов и паров, колебаний атомов в ионных и молекулярных кристаллах. К этой же области частот относятся характерные энергии электронных переходов и фазовых переходов в сегнетоэлектриках, магнетиках и сверхпроводниках. Поэтому ряд задач практикума ориентирован на измерение характеристик конденсированных сред в миллиметровом диапазоне длин волн. Вышеуказанные преимущества миллиметрового диапазона длин волн электромагнитного излучения и явились основополагающими для организации современного, компактного, обладающего преимуществами наглядности, простоты и удобства организации обучения физического практикума по оптике на миллиметровых волнах.

Технические решения, реализованные в АЛК «Оптик».

Ядром АЛК «Оптик» является генератор электромагнитного излучения в миллиметровом диапазоне длин волн и высокочувствительный приемник излучения, прошедшего через устройства, располагающиеся в квазиоптическом тракте. В качестве источника излучения на длину волны 2.1 мм для обеспечения требуемой мощности излучения (до 15 мВт) и частоты повторения импульсов (8-20 Гц) в комплекте применен ЛПД- генератор излучения, управляемый от микропроцессорного электронного устройства питания-регистрации с интерфейсом RS232, обеспечивающим сопряжение с персональным компьютером.

Для надежной регистрации излучения в схеме с цифровым синхронным детектированием сигнала, прошедшего через квазиоптический тракт, в комплекте используется достаточно простой и безопасный в эксплуатации пироэлектрический приемник излучения.

Устройства, входящие в состав АЛК«Оптик»

• Генератор электромагнитного излучения миллиметрового диапазона с линзой на рельсах.

• Пироэлектрический приемник с линзой на рельсах.

• Интерферометр Фабри-Перо миллиметрового диапазона длин волн

• Интерферометр Фабри-Перо миллиметрового диапазона длин волн с приводом от шагового двигателя

• Преобразователь поляризации

• Дифракционная решетка с универсальным угловым измерителем

• «Рентгеновский кристалл» с гониометром

• Гониометр с приводом от шагового двигателя

• Пластина переменной толщины

• Пленочный аттенюатор электромагнитного излучения миллиметрового диапазона

• Поглощающие диафрагма и экран

• Набор оправ с сетками

• Юстируемый держатель с набором образцов

• Электронный блок питания- регистрации с компьютерным интерфейсом

• Оптический азотный криостат с держателем и набором образцов для низкотемпературных измерений

• Оптический модуль для высокотемпературных измерений (печь) с держателем и набором образцов

• Оптический стол с монтажным набором для крепления устройств АЛК «Оптик»

• Персональный компьютер с интерфейсом и набором программ для автоматизации лабораторных и практических работ по разделам «Оптика» и «Методы исследования веществ»
• Описание указанных устройств и перечисленных ниже лабораторных экспериментов на их основе

Масса автоматизированного лабораторного комплекта «Оптик» (без учета массы персонального компьютера и оптического стола) составляет 32 кг.

Лабораторные работы АЛК «Оптик».

В соответствии с Техническим заданием Госконтракта в составе опытного экземпляра АЛК "Оптик" разработано и изготовлено перечисленное выше оборудование (узлы и блоки комплекта) для выполнения следующих лабораторных работ:

• изучение дифракции Фраунгофера и Френеля,
• изучение интерференции, в том числе- многолучевой, в схемах с интерферометром Фабри-Перо,
• исследование свойств излучения ЛПД-генератора, включая поляризационные характеристики излучения длинной волны 2.1 мм, частотой повторения 8-20 Гц и мощностью не более 15 мВт,
• определение оптических характеристик диэлектрических образцов, включая показатель преломления,
• изучение отражения и пропускания металлических зеркал и тонких пленок,
• моделирование рентгеновской дифракции в схеме с источником излучения длинной волны 2.1 мм,
• исследование оптических свойств веществ в широком интервале температур 77-500К.

Квазиоптическая схема для измерения длины волны и характеристик интерферометра Фабри-Перо

Интерферометр Фабри-Перо в лабораторной работе.

Оптическая схема для измерения коэффициента пропускания пластины переменной толщины.

Пластина переменной толщины в лабораторной работе.

Держатель для исследуемых образцов в лабораторной работе

Квазиоптическая схема и изготовленный набор устройств опытного экземпляра АЛК «Оптик» для изучения работы анализатора поляризации. В той же квазиоптической схеме реализована также Лабораторная работа по изучению пропускания тонких металлических пленок с помощью аттенюатора

Квазиоптическая схема для изучения работы анализатора поляризации.

Анализатор поляризации в лабораторной работе

Аттенюатор в лабораторной работе.

Квазиоптическая схема и изготовленный набор устройств для изучения преобразования типа поляризации миллиметрового излучения.

Квазиоптическая схема для изучения преобразования типа поляризации

Преобразователь поляризации в лабораторной работе.

Квазиоптическая схема и изготовленный набор устройств для изучения дифракции на решетке в геометрии пропускания.

Квазиоптическая схема для изучения дифракции на решетке в геометрии пропускания.

Дифракционная решетка в лабораторной работе.

Квазиоптическая схема и изготовленный набор устройств для сборки интерферометра Маха-Цандера.

Квазиоптическая схема интерферометра Маха-Цандера.

Интерферометр Маха-Цандера.

Квазиоптическая схемаи изготовленный набор устройств установки для тестирования оптических характеристик материалов при низких и высокихтемпературах в миллиметровом диапазоне длин волн.

1-генератор с линзой F=60 мм, 2-тефлоновые линзы F=80-120 мм, 3-криостат, 4-приемник с линзой F=60 мм, 5-электронный блок, 6-измерительные приборы, 7-электронный разъем.

Квазиоптическая схема установки для тестирования оптических характеристик материалов.

Азотный криостат в лабораторной работе.

Печь для квазиоптических измерений в лабораторной работе.

Квазиоптическая схема и изготовленный набор устройствдля выполнения Лабораторных работ по моделированию рентгеновской дифракции на кристалле в схеме с источником излучения длинной волны 2.1 мм.

Схема экспериментальной установки для моделирования рентгеновской дифракции на кристалле: 1–генератор, 2–приемник, 3–тефлоновые линзы (F = 60 мм), 4-подвижная направляющая, 5-гониометр, 6–подвижная шкала (θ^o,-90^o≤θ≤+90^o), 7–неподвижная шкала (2θ-180^o≤2θ≤+180^o), 8 – модель кристалла

Модель кристалла с гониометром в лабораторной работе.

Модель кристалла с гониометром в лабораторной работе с использованием средств автоматизации и персонального компьютера.