Difracc-Abert

GUIA Nº 21
Difracción de luz Láser por una abertura circular
Antecedentes previos al experimento.
LUZ LASER.La radiación emitida por un Láser, igual que la luz común, es de naturaleza electromagnética, pero se diferencia de
ella en varios aspectos importantes, es de altísima direccionalidad, monocromaticidad, intensidad y coherencia .
La luz común es una mezcla de varios colores, es decir, una mezcla de varias longitudes de ondas y sus
correspondientes frecuencias; es incoherente y mas o menos blanca, en tanto la luz generada por un Láser, es de una única
frecuencia y una única longitud de onda ; para el Láser gaseoso de He-Ne que se usará en estos experimentos, la
longitud de onda  es 632,8 [nm , fija, conocida y confiable. Esta luz es roja.
La luz común presenta variaciones aleatorias en la fase de las ondas emitidas, mientras que la luz Láser conserva
relaciones de fase bien definidas, durante intervalos de tiempo y distancias mayores ; esta propiedad se llama coherencia
temporal y espacial y es una característica esencial para el estudio de fenómenos de interferencia y difracción.
La base física del funcionamiento de un Láser es la siguiente : en la luz ordinaria, los átomos componentes de un
emisor ( por ejemplo, del filamento de una ampolleta ), reciben un exceso de energía por agitación térmica o eléctrica y
luego irradian por un breve lapso ( unos 10 -8segundos, es decir, una decena de nanosegundos ), hasta
que pierden el exceso de energía. En este contexto, diversos átomos alcanzan diferentes excesos de energía y la radiación
resultante es una mezcla al azar de las emisiones de los distintos átomos. Para el caso del Láser, la situación se controla de
tal forma, que los átomos son excitados hasta exactamente un mismo nivel de exceso energético y la radiación de ellos
resulta sincronizada en frecuencia y en fase mediante un proceso denominado emisión estimulada.
Esto dio origen a la siglas (en inglés), Láser : Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation.
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PRECAUCIONES AL USAR UN LASER : los Láser del Laboratorio tienen una potencia de salida de 0, 5 [ mW  ,
sobre una superficie de unos 0,3 [ mm2  , lo que corresponde a un flujo de energía de 0, 6 [ W/cm2 . Para comparar,
tenga presente que el flujo de energía del Sol es de 0, 135 [ W/cm2 , es decir, un Láser de los que usted usará, tiene
un flujo de energía 4, 5 veces mayor que el Sol.
Consecuentemente su operación y manipulación debe ser extremadamente cuidadosa.
NO MIRE DIRECTAMENTE EL HAZ O SU REFLEXION EN UN ESPEJO
.
DIFRACCION.En líneas generales este fenómeno consiste en la desviación que experimenta la luz u otra radiación, al bordear un
obstáculo o al pasar por aberturas pequeñas, sean estas ranuradas o circulares.
Consideremos el caso de trenes de ondas luminosas incidiendo sobre una abertura pequeña si recogemos
sobre una pantalla la luz que pasa por esa abertura, se obtiene un diagrama de difracción caracterizado por
zonas brillantes y oscuras dispuestas en forma plana o circular, según sea la naturaleza de la abertura.
Las características del fenómeno, se basan en el Principio de Huygens, el cual establece que cada punto de un
frente de onda se comporta como fuente emisora puntual secundaria. Así, si la luz incidente es un haz paralelo y el plano de
la abertura es perpendicular a él, entonces todos las fuentes secundarias están en fase. Las fases con que fuentes de la
igual dirección, llegan a un punto de la pantalla, están determinadas por el camino recorrido por cada onda secundaria hasta
llegar a ese punto. Si las fases son las mismas, se produce un reforzamiento y en ese punto o zona de la pantalla se
presentarán máximos de intensidad. Si las ondas llegan en fases opuestas, se produce un efecto destructivo o anulación
de intensidades, observándose mínimos o zonas oscuras en esos puntos.
Si la luz Láser pasa por una abertura circular suficientemente pequeña, se genera un patrón de difracción
compuestos por círculos concéntricos llamados Anillos de Airy, cuya intensidad decrece hacia la periferia.
Si la distancia L entre el orificio y la pantalla es mucho mayor que el diámetro de la abertura d, entonces, el
ángulo de difracción  , está definido por :
sen  = y / L
donde y es la distancia entre el centro del
patrón y el centro del mínimo considerado ,
tal como se indica en la figura A.
(1),
La expresión que rige en este caso es :
sen  = 1,22 · /d
De las expresiones ( 1 ) y ( 2 ), se obtiene :

( 2 ) , donde  es el ángulo de difracción
correspondiente al primer mínimo.
d • y
1,22 • L
En general, para los mínimos de orden n , se tiene :

( 3 ) , que corresponde al Primer Mínimo.
d • y
1,22 • nL
( 4 ).
Figura A
Objetivos.a) determinación ( verificación) de la longitud de onda  de la luz
Láser He-Ne, mediante el patrón de difracción producido por una
abertura de diámetro conocido y fijo.
y
b) determinación del diámetro d de un orificio dado, mediante el
patrón de difracción que genera. (esto es el inverso del objetivo a ),
y así Ud. dispondrá de argumentos para cuantificar el margen de
error con que logra la determinación ).
Nota.- La misma metodología que se usa en este experimento, es
aplicable a otras situaciones de orden práctico, como, por ejemplo, la
determinación del diámetro de partículas muy pequeñas tales como
las de polvo de licopodio u otro material particulado.
 y
Figura B
Materiales.P
- Láser He-Ne
- Riel óptico
- Placa con orificios finos y conocidos
- Jinetillos para riel óptico
- Pantalla
- Vernier.
y

d
0
B
L
Procedimiento experimental.PARTE I ): montar y alinear los componentes en riel óptico; la abertura que se usa es de diámetro conocido; la
placa-abertura debe quedar perpendicular al haz Láser; la pantalla se debe ubicar a una distancia tal
que se aprecie en forma nítida la distribución de los anillos. Ud. debe decidir si va a usar varios L o
varios mínimos para obtener el valor de  mediante ecuación 3 de la introducción.
PARTE II, opcional ): idéntico montaje y metodología que parte I, pero reemplazando la abertura inicial por
otra cuyo ancho a es desconocido y que Ud. determinará con la precisión más alta posible.
Para sus cálculos de las partes I y II, considere que  Láser = 632, 8 [ nm ], valor altamente confiable,
luego esta parte servirá para avalar la confiabilidad de las medidas realizadas por Ud. y para realizar las
optimizaciones pertinentes en la metodología, de modo que logre un valor lo mas cercano posible a  Láser .
Recuerde además que :
1 [ nm ] equivale a 10 -8 [m ].
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