Свойства лазерного излучения

Цель работы: изучить свойства монохроматичности, когерентности и поляризованности лазерного излучения.

Приборы и принадлежности: модульный учебный комплекс МУК – О по «Оптике», лист белой бумаги, миллиметровая линейка.

Краткая теория

Свет представляет собой сложное явление: в одних опытах он ведет себя как электромагнитная волна, в других – как поток фотонов. В явлениях интерференции, дифракции и поляризации проявляется волновая природа света.

Рис. 2

Рис. 1

Электромагнитные волны поперечны: векторы напряженности электрического поля

и магнитного поля

перпендикулярны друг другу и направлению распространения волны (рис. 1).

Поскольку векторы и электромагнитной волны перпендикулярны друг другу и изменяются синхронно, для полного описания состояния поляризации светового пучка требуется знание поведения лишь одного из них. Обычно для этой цели выбирается вектор , который называют световым вектором.

Плоскость, в которой совершаются колебания светового вектора , называется плоскостью поляризации.

Отдельно взятый атом спонтанно излучает электромагнитную волну, для которой плоскость поляризации строго фиксирована. Но любое святящееся тело (например, нить электрической лампы) состоит из огромного числа частиц. Излучение любой из них никак не связано с излучением соседней, поэтому плоскость поляризации у каждой из них не зависит от соседней. В суммарном излучении, которое испускается таким телом, направление плоскости поляризации меняется беспорядочно, одновременно во всех направлениях, перпендикулярных световому лучу (рис. 2а). Такой свет называется естественным или неполяризованным. Типичный пример неполяризованного света – солнечное излучение, излучение ламп накаливания, ламп дневного света.

Свет, у которого направление колебаний светового вектора происходит в одной плоскости (рис. 2б) называется плоскополяризованным. Свет, в котором имеется преимущественное направление колебаний напряженности , но при этом имеются и другие направления колебаний, называют частично поляризованным.

Поляризованным является индуцированное излучение, генерируемое в лазерах – оптических квантовых генераторах, созданных в 1960 г. Индуцированным называется излучение возбужденных атомов вещества под действием падающего на него света. Особенность этого излучения заключается в том, что возникшая при индуцированном излучении световая волна не отличается от падающей на атом волны ни частотой, ни фазой, ни поляризацией, т.е. в суммарном излучении направление плоскости поляризации строго фиксировано. В отличие от обычных источников света, в лазерах атомы излучают свет согласованно, поэтому лазерное излучение является монохроматичным, когерентным и поляризованным.

Глаз человека не отличает естественный свет от поляризованного. Проверить, является ли лазерное излучение поляризованным, можно с помощью поляризатора, который называют анализатором. Анализатор (поляризатор) представляет собой устройство, которое пропускает только ту компоненту колебаний светового вектора , которая параллельна плоскости поляризации анализатора (поляризатора) (рис. 3).

Из рис. 3 видно, что

Таким образом, если на пути поляризованного света, каким является излучение лазера, поставить анализатор, то из него выйдет также поляризованный свет. Поскольку интенсивность света , то на выходе из анализатора интенсивность света будет изменяться в соответствии с законом Малюса

, (1)

где – интенсивность света на выходе из анализатора; – интенсивность падающего на анализатор лазерного излучения; – угол между направлением колебаний светового вектора в падающей световой волне и плоскостью анализатора. Интенсивность света будет максимальной при и равной нулю при . В пределах от до относительная интенсивность лазерного излучения будет изменяться пропорционально (рис. 4).

Рис. 4

Излучение лазера является не только поляризованным, но, как отмечалось выше, монохроматическим и когерентным. Убедиться в этом можно, направив лазерный луч на дифракционную решетку, имеющую

щелей. На экране будет наблюдаться четкая дифракционная картина в виде чередующихся максимумов и минимумов освещенности одного цвета (рис. 5), поскольку происходит интерференция монохроматических волн, дифрагировавших на щелях решетки. Главные максимумы освещенности будут наблюдаться при выполнении условия

, (2)

где – период дифракционной решетки; – длина волны лазерного излучения; – угол дифракции; – порядок главного максимума.

Рис. 5

Между главными максимумами располагаются

слабых побочных максимумов. На фоне ярких главных максимумов они практически не видны.

Из рис. 5 видно, что при

, (3)

где расстояние от центра главного максимума нулевого порядка до центра главного максимума го порядка, – расстояние от дифракционной решетки до экрана .