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機械一 Y組 陳建維 連晨
實驗主題:雷射光基礎實驗
1. 原始數據:
I˙光柵 狹縫密度 = 100(line/mm),相鄰狹縫距離 d = 0.001(cm)
光柵至螢幕的距離 L = 50.0(cm)
繞射階數 m 1 2
光點距離 Xm (cm) (cm)
繞射角度 θm
雷射光波長 λm (cm) (cm)
tan m= Xm/L ==> m= tan-1(Xm/L),d sin m= m m ==> m= d sin m / m
= d sin[tan-1(Xm/L)] /m
II˙網狀光柵(Gauze) 氦氖雷射光波長標準值λ= 632.8(nm)
第一階 繞射光點 距中心亮點之距離 X = 0.40(cm),光柵至螢幕的距離 D = 50(cm) tan = X/D ==> = tan-1(X/D) , d sin = ==> 1/d = sin / = sin[tan-1(X/D)] /
狹縫密度 1/d = 126.42(line/cm)= 321.11(line/inch)。1(inch)
III˙反射式光柵
鋼尺最小刻線距離 d = 0.5(mm)= 0.05(cm),鋼尺上雷射光點至螢幕之距離 D = 46(cm)
h0 = (cm),第零階反射角 r0 = 入射角 i = 90o - tan-1(h0/D) =
h1 = (cm),r1 = 180o - tan-1(h1/D) - i =
1 = d sin i - d sin r1 = (cm)
h2 = (cm),r2 = 180o - tan-1(h2/D) - i =
2 = (d sin i - d sin r2 ) / 2 = (cm)
IV˙光的偏振現象
雷射光通過兩個偏振片時,相鄰兩次雷射光最暗時,偏振片的偏振方向夾角相差 180 度。
Brewster角 B= , 玻璃的折射率 n = tan B = 。
2. 數據分析與誤差討論:
一、光柵:
(1)數據分析:
由公式tan m= Xm/L ==> m= tan-1(Xm/L),d sin m= m m
==> m= d sin m / m = d sin[tan-1(Xm/L)] /m
由公式得知,隨著 Xm 的增加, m 也會跟著增加,這是必然的結
果,因為我們測試的雷射光的波長是一定的。從數據裡面我們可以看
的出來,我們做了兩個繞射階數,分別是1和2,由波長標準值比較
得知,低階數比高階數的誤差大(雖然我們只做了兩個階數),我們
可以很直觀地去看這實驗的誤差為什麼和繞射階數會有關係。
由左圖可知,在小角度時,以tan-1(Xm/L)去測量 m 的
誤差會比在大角度時所測量的大,而且,在小角度時,Xm較小,測
出來的誤差會比在大角度(Xm較大)時所測量的大,所以我們覺得
在繞射階數高的時候可以做出較精準的雷射光波長。
(2)誤差討論:
《1》量測L時,由於皮尺量得不一定是正確的距離,故會造成誤差。
《2》公式中tan-1(X/L)取值為(X/L)及即有誤差。
《3》描點量測X值時應從圓中點量起。
二、交錯式光柵和網狀光柵:
(1)數據分析:
由於只有繞射第一階的數據一組,所以無法進行數據分析。
(2)誤差討論:
大抵上是人為測量、讀取數值時造成的誤差。
三、反射式光柵:
(1)數據分析:
由上圖我們一樣可以看出來,和第一項實驗(光柵)的說法大同小異,
當 hm 在高階數的時候,可以得到較小的誤差值,此說法從實驗數
據中可以看出來,h1 = 7.35 cm, 1 = 5.94 x 10^(-5)
h2 = 8.00 cm, 2 = 6.19 x 10^(-5)
(2)誤差討論:
操作時,h0、hm量測時有誤差,使結果的正確性受到極大的影響,
經計算知:當h0或hm有1mm之誤差時,便有5%~15%的誤差。
而D值之誤差不會使實驗值受到很大的影響。改善方法為增加D值
或使q更小。
3. 實驗心得:
(1)陳建維:
(2)連晨:在這個實驗中,最重要的觀念就是波程差的觀念,了解這些觀念,
加上一些公式的推導,這其實是一個很容易了解的實驗。在高中時就有
聽老師說過有關偏振片的一些東西,說偏振片是很容易取得的東西,只
要是一經產品像是電子錶、電子字典之類,都含有偏振片,今天終於能
夠親眼一見,我們也只用一片偏振片放在電子字典的螢幕上,旋轉角度
便可以完全看不見液晶,覺得真的很有趣。
4. 思考問題:
Q1:亮紋的出現角度rm和被照射到刻線總數有關嗎?若無,總數的增加有
什麼影響?
Ans:無關。由於d固定,所以在相同的入射角下,不論照射到多少的數目
的刻線,對於干涉條紋的出現並沒有影響。最多只是可以看到更多的干
涉條紋。如果本題的「刻線總數」是指單位長度內的刻線總數的話,則
當單位長度內的刻線總數增加時,由於d減小,因而解析度提高,所以
可以觀察到更清晰但是距離較緊密的干涉亮紋。
Q2:在上一頁圖二中,其入射角和反射回來的角度似乎並不一定相同,這和
我們熟知的反射定律有矛盾之處嗎?
Ans:就微觀而言,雷射光在局部地區仍是遵守反射定律。因為我們是利用
鋼尺上的刻線作為光柵,當一束光入射至刻線的缺刻處時,雖然微觀而
言每一束光子仍然遵守反射定律,但是巨觀來說,由於雷射光並非照射
在一個平面上,所以在缺刻中的反射會不規則,因此我們觀察到的光束
就會感到入射角與反射角不相同。
Q3:欲使rm之間分隔較大,以便觀察,最好選擇i接近90度,為什麼?
Ans:由於欲使rm之間分隔較大,以便觀察,利用近似,當cosr越小時,則
Dr越大,即我們所觀測到的亮點就愈分開。所以,當i越接近90度時,
相對的rm也愈接近90度,則cosr就越小。
Q4:試考慮如果你在海上釣魚,需長時間面對水面反射的刺眼陽光,妳該採
用什麼方向的偏振片作為太陽眼鏡?
a˙可將入射光分解成圖一所示的兩種偏振成分來考慮。由圖二可知,在你
一般所注視的反射角度範圍內,應以哪個成份的反光為主?(水的折射
率雖然和玻璃不同,但反射率隨角度的變化大致也和圖二相仿。)
b˙不妨用你的眼睛,隔著偏振片,觀察鄰組的檯燈照射在實桌面上形成的
低角度反光。藉著旋轉偏振片時你所感覺到的亮度變化,來驗證你對這
個問題的答案。
Ans:由實驗課本中的偏振光由空氣中射向玻璃表面的反射率與入射角的作
圖來看,垂直偏振光的反射率較高,而且沒有像平行偏振光有Brewster
角,會在適當的角度範圍內沒有反射。所以我們應該採用垂直方向的偏
振片來做為太陽眼鏡。
Q5:觀察布魯斯特角時為什麼不直接看玻璃片上的反射光亮點的強度變化,
這樣不是比較省事嗎?
Ans:因為玻璃雖然會反射雷射光,但是因為玻璃是透明的,雷射光會透射
過去,增加觀察上的困難。同時肉眼對光強度變化的鑑別力並不是很敏
銳,還會因為觀察角度的不同而有不同的結果,無法維持固定的實驗變
因。因此還是已反射到布幕尚在觀察比較好。
Q6:壓克力棒所觀察到的上述現象,是否在其他材料上也一定會有,為什麼?
Ans:不一定。因為全反射及偏振現象的產生與該材料的折射率及其組成的
結構有關。並非所有的材料都有能產生全反射的折射率。或是其物質結
構能產生偏振現象。
Q7:試比較散射造成的偏振現象,和反射造成的偏振現象(第IV部分有討
論),儘可能去了解其原理部分並和同學討論之。
Ans:由於散射出來的光線其行徑路線和入射光並沒有關係,是朝四面八方
散去。所以散射所造成的偏振現象會是各個方向偏振的總和,亦即沒有
任何偏振現象,成為非偏振光。反射所造成的偏振現象,由於其光徑固
定,所以偏振的方向固定時,形成偏振光。而在壓克力中,因為壓克力
棒非均勻完美的晶體,其中有一些結構上的缺陷,所以會產生散射現象。
5. 補充資料:
(1)雷射光檢測血液 可提前發現乳癌
記者馬心婷、黃德武/台北報導
乳癌有新的檢測方式,國外醫界正在研發用雷射光檢測初期乳癌病變,初步發現,準確度比傳統的超音波以及自我檢測還要高,另外,隨著整體醫學觀念的風行,也有醫師開始提倡中西醫的四合一抗癌療法。
隨著飲食的精緻化,國內乳癌患者比例有年輕化的趨勢,病人也越來越多,如果沒有早期診斷,就可能會造成必須割掉乳房,變成「少奶奶」的命運,由於乳癌的初期檢測並不容易,除了傳統的乳房自我檢查以及超音波檢查,國外醫界近年發現新的檢測法,透過雷射光照射血液,檢查乳房血液中的前期癌病變。
這項新的檢測法,目前已經在英美國家積極研究好幾年,已經有初步的成果,患者只要接受特殊雷射光照射5分鐘,就可以知道結果。
預防癌症重要,發現癌症後的確實治療,更是救命的唯一方法,隨著整體醫學觀念的提倡,目前醫界已經開始採用四合一療法,也就是用西醫方法治療癌症殺死癌細胞,再以中醫改善放射線治療的副作用,同時搭配飲食調理,以及練氣功增強免疫力,增加抗病功能,四管齊下,對抗癌症!
(本文由 東森新聞報提供, 2002/04/21)
(2)雷射光雕塑人工好「造型」
鄭慧文,美國加州大學藥學博士
從製造人工關節的投資來看,無法量產的產品是最花費時間及成本的。也正
是因為如此 ,細小的人工關節元件往往會因此而無法大量 製造。普杜大學
研究人員開發出一種雕塑細小「生物醫學瓷泥」的雷射加熱法。這種方法可
以讓生物醫學瓷泥每年將近10億美金的廣大市場,節省一半的成本。
現有的生物醫學瓷泥產品是以鑽石切割工具雕塑成形,但是其技術繁瑣,花
費驚人,高達成本的 75%之多。為了打造一個完美的生物醫學瓷泥產品,需
要八台以上的鑽石切割工具機,而每台切割機的造價卻要花費一百萬美金之
多。為了解決這個問題,研究人員利用雷射將生物醫學瓷泥產品的表面加熱
到攝氏1000度(約為華氏1800度),使其具有相當的可塑性,再經過立方
體硼硝化合物的切割,即可輕鬆成形。此次研究開發的加熱法,只是使生物
醫學瓷泥產品的表面變軟,並不會損及內部,因此在雕塑成形之後,仍然可
以保有生物醫學瓷泥產品的原有堅固;而整個雷射光機台,卻只需要50萬美
金的採購價格,因此就能夠節省相當的成本。
這項技術對強調提升醫療品質的醫界來說,也是個好消息。過去的人工關節
必須考慮到成本,因此無法針對病人提供量身定做的設計。若是雷射光雕塑
成形技術能夠及早應用,病人在裝置人工關節的時候,一定能夠受到最好的
保護。
(3)日本經濟新聞報導,日立製作所和大阪、東京大學等單位合作開發一種精準度高的手術輔助裝置。新的裝置是利用雷射光來指引執刀的醫師找到患者開刀時須在骨骼穿孔或脊椎插針時的正確位置,將有助於人工股關節等手術的進行。
該報導指出,以往動人工股關節手術時,醫生在骨骼穿孔和脊椎插針時,必須很小心固定穿孔機和針頭的角度,否則很可能傷到神經和血管等。目前大多數醫院所使用的輔助工具是利用斷層掃瞄機,醫生必須在動刀時邊看手術台旁銀幕的畫面,以瞄準正確位置。
新開發的裝置則是在手術台兩邊以雷射光照射患者的手術部位,並在要開穿孔、插針的部位照出×記號,當患者的身體移動時,該×記號也會跟著移動,故可以輕鬆地掌握到正確的位置,也可以縮短手術時間,減少患者的負擔。大阪大學表示,這套裝置已經運用在約二十件的人工股關節手術上而且效果良好。該研究小組看好這套裝置,並表示將來還可能會被活用在脊椎或腦神經外科等手術上。
(4)生物:引導神經生長的雷射光
編輯:daffodil
科學家成功的以低功率雷射光引導神經細胞生長錐 (growth cone) 之延伸方向。此技術可望應用於連接神經元至人造視網膜或義肢上的電子植入物 (electronic implant)。
神經生長之控制是神經科學、細胞生物學、發育生物學、生物物理學及生物醫學的基本課題,尤其對在體外 (in vitro) 之神經迴路形成與在體內 (in vivo) 之神經再生更為重要。
在去年十二月十日的美國科學院院刊 (Proceedings of the National Academy of Sciences, USA) 上,德國萊比錫大學 (University of Leipzig) 的Allen Ehrlicher與其研究夥伴發表了運用弱光學力引導神經生長方向的論文。在活躍的生長錐前放置一雷射光點,可促使神經延伸至光束聚焦處,進而引導神經之生長方向並增加其生長速度。他們選擇的雷射功率恰能影響由肌動蛋白聚合作用 (actin polymerization) 所驅動之瓣狀偽足延伸 (lamellipodia extension),但又微弱得不足以固定或移動生長錐。因此,他們能以弱光控制自然的生物過程,而不像光鉗 (optical
tweezer) 技術般以強光學力來操縱整個生物結構。
雖然科學家並不明瞭為什麼低功率雷射會引導神經生長,但這項技術無疑開啟了以簡單、非接觸性的方式來控制神經生長的新頁。
(5)口腔癌雷射光動診斷治療 癌細胞見光死
本文由中央社提供
口腔癌診斷及治療進入雷射光動時代,長庚醫院利用癌細胞會大量吸收某些感光物質的原理,用雷射藍光探照可以讓潛藏的癌胞「走光」,再用紅光一照,癌細胞馬上「見光死」,可以取代部分的手術。
長庚醫院已經完成倉鼠的動物試驗,準備向行政院衛生署申請人體臨床試驗。長庚醫院整形外科主治醫師張承仁指出,癌細胞的代謝異於正常細胞,將感光物質塗抹在皮膚上或注射於血管,再用藍色光波探照,凡是異常分化的細胞會因為大量吸收聚集感光物質,而發出幽藍的螢光,正常細胞 卻不會。這種螢光顯影檢查的好處是方便,偵測癌細胞的準 確率可達八、九成,張承仁表示,紅唇族愈來愈多,口腔癌患者勢必有增無減,未來紅唇族只要到醫師那兒張開嘴巴,塗上感光藥膏,三個小時後用雷射藍光一照,就可大致篩檢出是否潛藏癌細胞。
螢光顯影檢查也可以幫助醫師找出癌細胞的範圍,以備細胞切片檢驗時提高準確率。不過,長庚醫院副院長魏福全說,當正常細胞快要癌化時,螢光反應不明顯,所以醫師下一個課題是到底要治療多大的部位才算完全根除癌細胞。讓癌細胞吸收感光物質還有一個好處,張承仁說,當醫師改用不同能量的紅光雷射照射,紅光只對癌細胞有殺傷力,癌細胞當場「見光死」。
6. 讀後心得:
(1)陳建維:
(2)連晨:雷射光基礎實驗的雷射安全注意事項:絕不可讓雷射直接地射入眼睛,高功率的雷射光即使經過普通器物散射之後,也可能傷害人體。實驗得出雷射光的波長是短波長,由此可知,雷射光的確有殺傷力(當然電影中的雷射光武器或許過分誇大),而我們可以應用它的性質,來對開刀、雕塑等等方面有貢獻,像是補充資料中的乳癌開刀,雷射還可以幫助重度近視的人恢復視力,這些都是有關於雷射的應用,我不禁對它的多用途感到讚嘆,但是可怕的並不是它的多用途,而是它的精確性,這使許多精密且難以完成的工作得以順利完成。我相信在未來一定會有更多的쀊野帠y福人類。
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