レーザーの基礎実験

東京電機大学 理工学部 物理実験室

レーザーの基礎実験 １．実験の順序

〇 装置セット－１ （レーザー電源） ↓ 〇 実験（１） （レーザー発振管の構造スケッチ，各部名称を記入） ↓ 〇 装置セット－２（回折格子，スクリーン，ノギス，巻尺） ↓ 〇 実験（２） （干渉スポット間，回折格子－スクリーン間距離を測定） ↓ 〇 装置セット－３（検光子(偏光板)，光検出器，デジタルマルチメーター） ↓ 〇 実験（３） （検光子を回転しながら(０～１８０度)透過光強度を測定） ↓ 〇 装置セット－４（バーニヤ付ガラス板，光検出器，デジタルマルチメーター） ↓ 〇 実験（４） （ガラス板を回転しながら(０～９０度)反射光強度を測定） ↓ 〇 計算，グラフ化，まとめ

２．実験方法 （１）装置セット－１

（ａ）レーザー電源の電源コードをコンセントに接続する

（ｂ）電源のスイッチを入れる（レーザー管が点灯する）

（２）実験（１）

（ａ）レーザー発振管の構造をスケッチし，各部の名称を記入する

＊教科書およびこのファイルの「参考」（最終頁）参照

（３）装置セット－２

（ａ）架台に回折格子をセットし（格子面(字の読める面)をスクリーン側に），マグ

ネットで固定する（図１）

・レーザー光が回折格子の中心に来るように高さを調整する

・回折格子とスクリーン間の距離はなるべく大きく取る

（ｂ）スクリーンの白色面に干渉スポットが現われる

（４）実験（２）

（ａ）干渉スポット間の距離ｘ1（１次）,ｘ2（２次）をノギスで測定する（図１） （ｂ）回折格子とスクリーン間の距離Ｄを巻尺で測定する

（ｃ）ｘ1,ｘ2，Ｄを記録する（表１） （５）装置セット－３

（ａ）架台に検光子と光検出器をセットする（図２）

＊検光子についてはp.7参照

・レーザー光が検光子の中心に来るように高さを調整する

・レーザー光が光検出器の中心に来るように高さを調整する

－１－

バーニヤ（分度器） ガラス板 ↓

( a ） バーニヤ付きガラス板 ( b ） 反射光強度測定の配置図

図 4 実験 4 （ガラス板による反射光の強度測定）

（ｂ）デジタルマルチメーターをセットする（図２，図３）

・電源コードをコンセントに接続し，POWERをＯN（押す）にする

・FUNCTIONをDCV（直流電圧），RANGEをAUTOにする

・RATE（サンプルレート設定）はSLOWを選択して測定する

・Ｖ･Ω端子のHIに光検出器の赤のリード線， LOに黒のリード線を接続する

（６）実験（３）

（ａ）検光子の角度を０度にセットし，透過光強度を光検出器の出力として，デジタル

マルチメーターで読み取る（単位も忘れずに！）

・光検出器に用いている半導体の特性上，数値が順次変化するので，光の照射後

の時間を一定にして（例えば５秒）測定する

（手で光を遮断し，照射後５秒の値をHOLD SWを用いて読む）

（ｂ）同様に，検光子の角度を１０度～１８０度と変えながら，それぞれの角度の透過

光強度を読み取る

・Ｅマークが何処にあるかを確認しておく

（ｃ）検光子の回転角度と透過光強度のデータを記録する（表２）

（７）装置セット－４

（ａ）架台にバーニヤ付ガラス板をセットする（図４）

ガラス板とレーザー光との光軸合わせは以下のように行う

・ガラス板の光沢面を上にし，水平とする（図５）

・レーザー光がガラス板のすぐ上を通るように高さを調整する（図6, 図７,図８）

・ガラス板を90°回転させ，レーザー光を反射させ，レーザー光をレーザー管の

窓に返す位置にセットし, バーニヤで角度を読み, この角度を０度とする （図９）

（ｂ）光検出器はスタンドから外し，回転アームに取り付ける（図４）

（デジタルマルチメーターへの接続は実験（３）と同様）

（８）実験（４）

（ａ）バーニヤの角度を１０度にセットする

（０度の位置は（７）の（ａ）項の様にセットしてあることを確認すること） －３－

レーザー発振器 光検出器を 回転アームに 取り付ける

－４－

レ ー ザ ー 光 の 光 軸 合 わ せ

（ｂ）光検出器を取り付けたアームを回転させ，レーザー光を光検出器の面に垂直に当て，

電圧の値をなるべく大きな値で安定するようにし，反射光強度を測定する

（HOLD SW は使用しない） （図 10）

（ｃ）同様に，バーニヤの角度を２０度～９０度と変えながら，それぞれの角度の反

射光強度を読み取る

・反射光強度がほとんど０になる角度を確認する

（ｄ）ガラス板の回転角度と反射光のデータを記録する（表３）

３．データの整理（計算，表，グラフ）

（１）実験（１）

・レーザー発振管の構造をスケッチし，各部の名称を記入する。

（教科書，当ファイルの図(p.7)を参照）

（２）実験（２）

・干渉スポット間距離ｘ1（1次），ｘ2（２次），回折格子-スクリーン間距離Ｄ，

格子間距離ｄのデータを表にまとめる。（表１） 表１ レーザー光の回折格子による干渉データ

項 目 記号(単位) １次干渉：X1 ２次干渉：X 2

スポット間距離 ｘ（ ）

回折格子-スクリーン間距離 Ｄ（ ）

回折格子の格子間隔 ｄ（ ） １/５０ｍｍ＝２０μｍ

・ｘ1（1次），ｘ2（２次），Ｄ，ｄよりレーザー光の波長λを計算する

・計算式

回折角：θ θ = 𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡−1 � 𝑋𝑋 2𝐷𝐷

�

波 長 ：λ d 𝑠𝑠𝑠𝑠𝑡𝑡𝑠𝑠 = mλ ( m = 1 (1次 ) , m = 2 ( 2次 ))

・計 算

回折角：θ 1次 ： 𝑠𝑠１ = 𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡−1 � 𝑋𝑋

１

2𝐷𝐷 �

2次 ： 𝑠𝑠2 = 𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡−1 � 𝑋𝑋

２

2𝐷𝐷 �

波 長：λ 1次 ： d sin𝑠𝑠１ = 𝜆𝜆１ 2次 ： d 𝑠𝑠𝑠𝑠𝑡𝑡𝑠𝑠２ = ２𝜆𝜆２

λ = 𝜆𝜆１ + 𝜆𝜆２

２

＊最終的に一つのλを求める（単位に注意する）

（３）実験（３）

・表（検光子の回転角度と透過光強度）の作成（表２）

・グラフの作成（Ｘ軸：検光子の回転角度，Ｙ軸：透過光強度）（図11）

・テキストで提示されている事項を確認する

（レーザー光が偏光であるか，レーザー光の電界の振動面の方向はどちらか，

ブリュースターの窓との位置関係はどうかを調べる）（当ファイルP.８参照）

－５－

表２ 検光子の回転角度と透過光強度の関係

検光子の回転 透過光強度 検光子の回転 透過光強度 検光子の回転 透過光強度

角度（ ） （ ） 角度（ ） （ ） 角度（ ） （ ）

０ ６０ １２０

１０ ７０ １３０

２０ ８０ １４０

３０ ９０ １５０

４０ １００ １６０

５０ １１０ １７０

１８０

透 反

過 射

光 光

強 強

度 度 ( ) ( )

検光子の回転角度( ) ガラス板の回転角度( )

図11 検光子の回転角度と透過光強度 図12 ガラス板の回転角度と反射光強度 （４）実験（４） ・表（ガラス板の回転角度と反射光強度）を作成する（表３） ・グラフの作成（Ｘ軸：ガラス板の回転角度，Ｙ軸：反射光強度）（図1２） ・テキストで提示されている事項を確認する （反射光がほとんど０になる角度（ブリュースター角）を求める）

表３ ガラス板の回転角度と反射光強度の関係

ガラス板の 反射光強度 ガラス板の 反射光強度 ガラス板の 反射光強度

回転角（ ） （ ） 回転角（ ） （ ） 回転角（ ） （ ）

１０ ５０ ５８

２０ ５２ ６０

３０ ５４ ７０

４０ ５６ ８０

９０

－６－

４．結果をまとめる

（何が目的で．どのような実験を行ったのか，得られたものは何か．何が分かったのか）

（１）実験（１）レーザー発振管のスケッチの図の番号を示す（図□□）

（２）実験（２）得られた波長λの値を示す

（３）実験（３）表（表２）とグラフ（図11）から何がわかったかを示す

（レーザー光が偏光か，電界の振動面の方向はどちらか，ブリュースタ

ーの窓との位置関係はどうかを述べる）

（４）実験（４）表（表３）とグラフ（図12）から何がわかったかを示す

（反射光がほとんど０になる角度（ブリュースター角）の値を示す） ５．検討事項 （１）波長λの測定値と標準値（理科年表参照）の誤差率を求め，誤差の原因と対策を 考える

表４ 波長の誤差率

測定値λ( ) 標準値λ( ) 誤差率( )

（２）～（４）教科書の検討事項を調査検討する

－７－

参考

検光子について

この検光子は，入射光の電界（Ｅ）の振動方向が

Ａ方向を向いている光は通すが，Ｂ方向を向いて

いる光はほとんど通さない性質を持っている。

＊Ｅマークに注意！ 図Ａ 検光子(偏光板)

ブリュースターの窓について

（教科書の参考(p.59)参照）

Ｐ偏光波

Ｅ ガラス板↓ 法線 Ｐ偏光波

Ｓ偏光波

Ｅ θB Ｅ

光軸 光軸

レーザー管↑

ブリュースターの窓

θB：ブリュースター角

1 1

法線 tanθB＝ｎ(屈折率)

反

反

θB

入射光

光軸

射

射

率 率 θB

←ガラス板

レーザー管↑

↓

0

0

反射光

0 入射角(°) 90 0 入射角(°) 90 （上図を真横から見た図）

図Ｂ ブリュースターの窓について

－８－

－７

－

E

A

B