Mitä se näyttää
Luentosalin etupuolella oleva teleskooppi (jossa on videolähtö) on tarkennettu kahteen pistemäiseen valonlähteeseen salin takaosassa. Vaikka valonlähteet ovat vain 1/2 mm:n etäisyydellä toisistaan, ne erottuvat helposti. Erotuskyvyn Rayleigh-raja voidaan osoittaa selvästi pienentämällä teleskoopin aukkoa pisteeseen, jossa kaksi valonlähdettä voidaan hädin tuskin erottaa, kuten seuraavissa kuvissa (lähteestä: Cagnet/Francon/Thrierr, Atlas of Optical Phenomena). Rayleigh-rajalla molempien pistemäisten lähteiden keskipisteet osuvat yhteen toisen lähteen ensimmäisen minimin kanssa. Huomaa, että koska käytämme valkoisia valonlähteitä emmekä laseria, Airyn kiekossa ei näy niin paljon interferenssimaksimeja ja -minimejä kuin kuvassa (ks. selitys alla olevasta kommentista).
Apertuuria voidaan pienentää entisestään Rayleighin rajan ohi niin, että kahta pistemäistä valonlähdettä on mahdoton erottaa. Näin ollen halkaisijaltaan 1 tuuman ”vakoilulasi” (tai pieni kiikari) ei pysty erottamaan kahta pistemäistä valonlähdettä riippumatta siitä, kuinka ”voimakas” suurennos tai optiikan laatu on.
Miten se toimii
Teleskooppi1 on Newtonin kaukoputki, jossa hyödynnetään 10 cm:n (4 tuuman) koveraa ensiöpeiliä ja litteää diagonaalista toisiopeiliä. Se istuu ekvatoriaalisella jalustalla ja siihen tarkoitetulla jalustalla. Okulaarin sijasta kuvan videoprojisointiin käytetään CCTV-kameraa2.
Säädettävän iiris-diafragman3 avulla, joka on asennettu omalle jalustalleen kaukoputken eteen, voidaan pienentää kaukoputken aukkoa mihin tahansa haluttuun aukkoon 6 mm alaspäin. Asetelma näkyy kahdessa kuvassa:
Kaksi pistemäistä valonlähdettä sijaitsevat 20 metrin päässä aivan luentosalin takaosassa. Ne on muotoiltu kahdesta alumiinifolioon tehdystä nuppineulasta. Neulanreikien halkaisija on 0,14 +/- 0,04 mm ja niiden etäisyys toisistaan on 0,45 mm keskeltä keskelle. Alumiinifolio on kiinnitetty 35 mm:n diakiinnikkeeseen, ja valoa tuottaa Kodak Ektagraphic -diaprojektori. Diaprojektorissa ei käytetä linssiä – kaukoputki kohdistetaan suoraan kahteen reikään. Keskeiset parametrit on esitetty alla:
Kahden valonlähteen kulmaero on 2,5×10-5 radiaania. Kun tämä kulmaero asetetaan yhtä suureksi kuin Rayleighin kulmaerotuskyvyn raja, \(\theta = 1.22 {\lambda \over a}\) (missä a on kaukoputken aukko), voidaan laskea pienin aukko, jolla valonlähteet voidaan vielä erottaa. Kun aallonpituus on 550 nm, saadaan aukon pituudeksi 2,7 cm. Koe vahvistaa kvantitatiivisesti tämän tuloksen.
Asennus
Koska järjestelmän kokonaissuurennos on suuri, kuva on varsin herkkä kaukoputken värähtelyille. Ongelman minimoimiseksi jalustan jalat istuvat 1″-paksun sorbotaanin neliöillä (ks. kuva yllä). Ohuet pahvinpalat Sorbothane-levyn alla vähentävät kitkaa lattian kanssa, joten jalustaa voidaan tönäistä kohdistusta varten.
Diaprojektori on korkealla DA-LITE-projektoritelineellä, joka on sijoitettu luentosalin takaseinää vasten. Koska on vaikeaa sekä kohdistaa että tarkentaa kaukoputkea reikävalonlähteisiin, on helpompi suorittaa ensin tarkennustehtävä. Aseta tätä varten valolaatikko jalustalle ja teippaa sen päälle läpikuultavaa grafiikkapaperia. Aseta valolaatikko siten, että grafiikkapaperi on samassa paikassa, jossa reikädia on, kun projektori on paikallaan. Nyt kaukoputki on helppo suunnata valolaatikkoon ja tarkentaa grafiikkapaperin valaistuun rasterikuvioon. Kun olet tehnyt tämän, aseta valolaatikko takaisin diaprojektorin paikalleen.
On tärkeää kohdistaa diaprojektori oikein, jotta kaukoputki katsoo ”suorassa kulmassa” diaan. Seuraava tekniikka toimii hyvin. Laita pitkä polttoväliobjektiivi (käytä 9″ f/2.8 2×2-objektiivia) diaprojektoriin ja kohdista ja tarkenna kaksi nuppineulaa valkoiseen korttiin, joka on sijoitettu lähelle kaukoputkea. Pala 2×4:ää projektorin takaosan alla antaa yleensä oikean määrän kallistusta. Kun objektiivi on kohdistettu, irrota se.
Demonstraatiota suorittaessaan demonstraattorin on pystyttävä paitsi kytkemään diaprojektori päälle ja pois luentosalin etuosasta myös, mikä on vielä tärkeämpää, säätämään neulanreikävalonlähteiden voimakkuutta. Kun kaukoputken aukkoa pienennetään, valoa tulee vähemmän ja kuvasta tulee himmeämpi. Kokonaiskuvan kirkkauden säilyttämiseksi projektorilampun voimakkuutta on vastaavasti lisättävä. Tätä varten käytämme kauko-ohjattavaa triac-lampunohjainta4 , jonka pitkä johto ulottuu luentosalin etuosasta takaosaan. Toisessa päässä oleva pistoke kytketään diaprojektorin takaosassa olevaan 2-reikäiseen lampunohjausliitäntään (oikealla puolella 5-reikäisestä diaprojektorin kauko-ohjausliitännästä). Projektorin kytkimen tulee olla asennossa FAN ONLY. 5
Kokeilu vaatii huomattavan paljon aikaa. Jos ennen oppituntia on käytettävissä vain 1/2 tuntia, on tehtävä järjestelyjä, jotta mahdollisimman suuri osa laitteista saadaan paikoilleen ja valmiiksi. Sen jälkeen voit käyttää rajallisen aikasi lopullisiin säätöihin.
Kommentteja ja huomautuksia
Vain ensimmäisen kertaluvun minimi ja maksimi näkyvät selvästi. Tämä johtuu siitä, että meillä on interferenssikuvioiden superpositio (Airyn kiekkokuvio) koko näkyvän spektrin aallonpituusjatkumosta. Kaikilla näillä kuvioilla on sama keskimmäinen maksimi, mutta kuvio on hajanaisempi pidemmillä aallonpituuksilla; tämä häivyttää korkeamman asteen maksimit ja minimit. Esimerkiksi toinen asema, jossa saadaan punaista valoa koskeva destruktiivinen interferenssi, osuu hyvin läheisesti yhteen sinisen valon toisen maksimin (konstruktiivinen interferenssi) kanssa. Lisäksi videokameran/projektorin toistamien valon intensiteettien rajallinen dynamiikka-alue vaikeuttaa suuresti korkeampien järjestysten kuvaamista ilman, että keskimmäinen maksimi kyllästyy täysin.
1. Feckerin Celestar 4
2. Panasonicin malli WV-BP330, jossa on 1,25 Orionin yhdistetty kamerasovitin (T-rengas C-sovittimeksi)
3. Rolyn Optics #75.0285 maksimiaukko = 120 mm, minimi = 6 mm ($272 vuonna 1999)
4. 600 W:n kiertohimmennin (Grainger #4LX92)
4. 600 W:n kiertohimmennin (Grainger #4LX92)