Теоретические сведения. 1. Ознакомиться с работой лазера;

ИЗЛУЧЕНИЯ

ИЗУЧЕНИЕ ЯВЛЕНИЯ ДИФРАКЦИИ ЛАЗЕРНОГО

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 5

Ц е л ь р а б о т ы:

1. Ознакомиться с работой лазера;

2. Ознакомиться с явлением дифракции;

3. Определить длину волны лазерного излучения;

4. Определить ширину щели.

О б о р у д о в а н и е: Гелий-неоновый лазер, решетка дифракционная, щель с регулируемой шириной, линейка, экран со шкалой.

Геометрическая оптика основывается на том, что свет распространяется прямолинейно. Но опыт показывает, что при некоторых условиях световые лучи отклоняются от прямолинейного пути распространения в однородной среде. Это явление носит название дифракции световых лучей (волн).

Далее дифрагирующие лучи интерферируют и происходит перераспределение энергии волн в пространстве. На экране мы можем увидеть чередующиеся светлые и темные участки.

Если свет монохроматический (частоты всех лучей одинаковы), то светлые участки имеют цвет, соответствующий частоте интерферирующих лучей.

Если же свет белый, то светлые участки окрашены в цвета радуги. Явление интерференции возможно лишь для когерентных лучей, т.е. таких лучей, разность фаз которых не меняется со временем.

В данной работе для получения монохроматических, когерентных лучей используют лазер.

Лазеры – это приборы, использующие вынужденное излучение для усиления электромагнитных волн в оптическом диапазоне.

Если на вещество падает свет частотой w, которая совпадает с одной из частот атома вещества , то может происходить два процесса:

1. Переход атома из состояния с энергией в состояние с энергией, при этом происходит поглощение света и ослабление падающего пучка;

2. Вынужденный переход атомов из состояния n в состояние m сопровождается увеличением интенсивности падающего пучка.

В случае термодинамического равновесия распределение атомов по различным энергетическим состояниям определяется законом Больцмана:

где N_i - число атомов, находящихся при температуре T в состоянии с энергией E_i; c - константа.

Из уравнения видно, что с увеличением энергии состояния населенность уровня, т.е. количество атомов в данном состоянии, уменьшается. Число переходов между уровнями пропорционально населенности исходного уровня. Следовательно, в системе атомов, находящихся в термодинамическом равновесии. Поглощение падающей световой волны будет преобладать над вынужденным излучением, так что падающая волна при прохождении через вещество ослабляется.

Для того, чтобы получить усиление падающей волны, нужно каким-либо способом обратить населенность энергетических уровней, т.е. сделать так, чтобы в состоянии с большей энергией E_n находилось большее число атомов. Чем в состоянии с меньшей энергией E_m.

В этом случае говорят, что данная совокупность атомов имеет инверсную населенность.

В первом лазере рабочим телом был цилиндр из розового рубина диаметром 1 см и длиной 5 см. Рубин представляет собой окись алюминия Al₂ O₃, в которой некоторые из атомов алюминия замещены атомами хрома.

При поглощении света ионы хрома Cr⁺⁺⁺ переходят в возбужденное состояние E₃ (рис. 1).

Рис.1

Обратный переход в основное состояние E₁ происходит в два этапа. На первом этапе возбужденные ионы отдают часть своей энергии кристаллической решетке и переходят в метастабильное состояние E₂ . Переход из метастабильного состояния в основное запрещен правилами отбора. Поэтому среднее время жизни иона в метастабильном состоянии (~ 10^-3 c) примерно 10⁵ раз превосходит время жизни в обычном возбужденном состоянии E₃ (~ 10^-8 с).

На втором этапе ионы из метастабильного состояния переходят в основное. Излучая фотон с длиной волны l = 632,8 нм.

Таким образом, если непрерывно возбуждать (освещать) рубин, то на метастабильном уровне Е₂ будет большая населенность, чем на уровне Е₃ . Можно не дожидаться спонтанного (самопроизвольного) перехода иона из метастабильного состояния в основное. Для этого достаточно облучить рубин светом резонансной частоты, т.е длиной волны λ=692,8 нм, и произойдет вынужденное излучение. В лазере рубин освещается импульсной ксеноновой лампой, которая дает свет с широкой частотой (рис.8).

Рис.8

При достаточной мощности лампы большинство ионов хрома переводится в возбужденное состояние. Процесс сообщения рабочему телу лазера энергии для перехода атомов в возбужденное состояние является подкачкой.

В течение времени ~ 10^-8 (время жизни иона на уровне Е₃ ) некоторые ионы спонтанно перейдут в основное состояние, а большинство – на метастабильный уровень Е₂ . И может оказаться, что число ионов хрома, находящихся на уровне Е₂ , будет больше числа ионов хрома на уровне Е₁ . Достаточно одному иону спонтанно перейти с метастабильного уровня на основной, чтобы излученный при этом фотон мог вызвать вынужденное (резонансное) испускание дополнительных фотонов, которые в свою очередь вызовут вынужденное излучение.

Для увеличения КПД первых фотонов торцы рубинового стержня тщательно полируются и образуют строго параллельные друг другу зеркала. Один конец покрывается плотным непрозрачным слоем серебра, а другой – таким слоем серебра, который пропускает около 8 % упавшей на него энергии. Все это ведет к многократному отражению первых фотонов и их лавинообразному нарастанию. Через полупрозрачное зеркало (торец) вспышка вынужденного излучения выводится наружу. После этого весь процесс повторяется снова. Таким образом, рубиновый лазер работает в импульсном режиме (с частотой повторения несколько импульсов в минуту).

В 1961 г. был создан газовый лазер, работающий на смеси гелия и неона. Подкачка в нем осуществляется за счет за счет электрического тлеющего разряда. Разрядная трубка заполняется смесью гелия под давлением 133 Па и неона под давлением 23,3 Па. На концах трубки имеет плоскополяризованные зеркала, одно из которых полупрозрачное. Разряд возбуждает атомы гелия, переводя их на метастабильный уровень 2³ S (рис.9)

Рис.9

Возбужденные атомы гелия сталкиваются с атомами неона, находящимися в основном состоянии, и передают им свою энергию. В результате атомы неона переходят на уровень 2S, вследствие чего возникает инверсная населенность уровней 2S и 2Р. Переход 2S® 2Р дает излучение лазера. Из-за быстрых переходов атомов неона с уровня 2Р на уровень 1S не происходит накопления атомов в состоянии 2Р.

Газовые лазеры работают в непрерывном режиме и не нуждаются в интенсивном охлаждении, ибо они имеют малую мощность (импульсная мощность рубинового лазера до 40 кВт). Газовые лазеры имеют большую стабильность частоты (монохроматичность и когерентность излучения), чем рубиновые.

Устройство гелий-неонового лазера показано на рис.10.

Рис.10

Где 1 – разрядня трубка; 2 – прозрачные пластины под углом Брюстера к оси трубки для поляризации лучей, чтобы избежать потери на отражение; 3 – анод; 4 – катод; 5 - плоское полупрозрачное зеркало; 6 – сферическое зеркало.

Плоское полупрозрачное и сферическое зеркала образуют резонатор, настроенный на частоту лазерного излучения. Это дает возможность повысить КПД первых фотонов, а также повысить коллимацию (направленность) лазерного излучения. Расхождение лучей газового лазера менее 0,01⁰ (у рубинового около 0,05⁰ ÷ 0,01⁰ ).

Перейдем к рассмотрению дифракционной решетки.

Нанеся на прозрачную пластинку систему параллельных, равномерно расположенных штрихов, получим спектральный прибор, называемый дифракционной решеткой (рис.11).

Рис.11.

Где – b – ширина штриха; a – прозрачная часть – щель; d = a + b - постоянная дифракционной решетки. Она указывается на дифракционной решетке.

Действие дифракционной решетки сводится к интерференции многих когерентных колебаний. Оптическая разность хода лучей 1 и 2 от соседних щелей равна

или .

Из теории интерференции известно, что если , то наблюдается максимальная интенсивность света.

Значит, для дифракционной решетки имеем следующие условия:

Для max: ,

Для min: .

Общая дифракционная картина, получаемая от решетки, имеет такой же вид, как и от одной щели, но число максимумов меньше, расположены они дальше друг от друга и сами максимумы шире, чем максимумы соответствующего порядка от одной щели.

Если на дифракционную решетку падает немонохроматический свет, то в местах максимумов будут наблюдаться спектры, которые существенно отличаются от спектров дисперсии. Это различие вытекает из самого характера явлений дисперсии и дифракции.

Дата добавления: 2015-06-27