2020-05-13
273
Цель работы: Изучение работы лазера и определение параметров лазерного излучения.
Приборы и принадлежности: Лазер, оптическая скамья, дифракционная решетка, расширитель лазерного пучка, анализатор, фотоэлемент, гальванометр.
ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ
Лазеры (оптические квантовые генераторы) - устройства, преобразующие различные виды энергии (электрическую, световую, химическую и т.д.) в энергию когерентного электромагнитного излучения оптического диапазона. В основе работы лазера лежит процесс вынужденного (индуцированного) испускания фотонов возбужденными квантовыми системами (атомами, молекулами и т.д.). Возбужденный атом из состояния с энергией Е 2 может перейти в состояние с меньшей энергией Е 1 с испусканием фотона с частотой w =(Е 2 - Е 1)/ 
как самопроизвольно (спонтанно), так и вынужденно - под действием электромагнитного излучения (рис.54.1, a, б).
(а)
|
(б)
|
 (в)
|
Рисунок 54.1
При спонтанном испускании направление распространения фотона и его фаза произвольны. При вынужденном излучении испущенные фотоны тождественны фотонам, вызвавшим этот процесс, т.е. имеют одинаковую с ними частоту, фазу, поляризацию и направление распространения. Под действием электромагнитного излучения может происходить и резонансное поглощение фотонов, сопровождающееся переходом Е 1 ® Е 2 (рис.54.1, в).
|
|
|
При индуцированном испускании энергия воздействующей волны увеличивается, а при резонансном поглощении уменьшается.
Вероятность резонансного поглощения равна вероятности индуцированного испускания. Поэтому для преобладания индуцированного испускания над поглощением необходимо выполнение условия инверсии населенностей
N 2 > N 1, (54.1)
где N 1, N 2 - число атомов на каждом из простых уровней, из которых состоят сложные состояния Е 1 и Е 2. При термодинамическом равновесии верхние уровни населены меньше, чем нижние (N 2 < N 1), что следует из распределения Больцмана N = N 0 exp(- E / kT). Инверсия населенностей может быть достигнута лишь в неравновесной системе путем подвода к ней энергии. Такая система называется активной средой.
Особенности вынужденного испускания позволяют генерировать когерентное излучение. Первоисточником является процесс спонтанного испускания фотонов с частотой w, вызывающих индуцированное излучение. Для развития этого процесса необходима положительная обратная связь, осуществляемая при помощи оптического резонатора (рис.54.2).
1 3 2
Рисунок 54.2 | В простейшей форме он образован двумя зеркалами 1 и 2, между которыми находится активная среда 3. Излучаемая волна многократно отражается от зеркал, вызывая вынужденное излучение все новых и новых фотонов. Одно из зеркал (2) делается полупрозрачным для вывода части излучения. |
w В таком резонаторе происходит не только усиление света, но и формирование узко направленного пучка монохроматического излучения. Если активная среда находится внутри цилиндра, а плоскости зеркал перпендикулярны его оси, то все лучи, идущие наклонно, попадут на его боковую стенку, где рассеются или выйдут наружу. Максимально усилятся лучи, распространяющиеся параллельно оси цилиндра.
В стационарном режиме в оптическом резонаторе должны образоваться стоячие волны. При условии
2 L = m l (54.2)
на длине L резонатора укладывается целое число полуволн m и после элементарного цикла - двух последовательных отражений от зеркал и прохождения двух длин L,все характеристики волны должны вернуться к исходным значениям. Такая волна усилится максимально. Если свет с длиной волны l проходит через активную среду туда и обратно N раз, то 2 LN = N m l. Для ближайшей длины волны l1, удовлетворяющей условию
2 LN = (N m ± 1) l1, (54.3)
каждый цуг волн, возникший за цикл, отличается по фазе от предыдущего и последующего на 2p/ N. В результате все N цугов погасят друг друга - получится минимум интенсивности для l1. Следовательно, ширина усиливаемой спектральной линии
dl = | l -l 1 |» l / (N m). (54.4)
При N ® ¥ dl ® 0. В действительности, из-за неидеальности отражающих поверхностей зеркал dl остается конечной.
Генерация лазерного излучения начинается тогда, когда энергия, приобретаемая светом в активной среде за цикл, превосходит потери энергии при отражении от зеркал, рассеянии в среде, а также за счет лазерного излучения, покинувшего систему. Нарастание интенсивности волны в активной среде не может продолжаться беспредельно, так как населенность N 2 верхнего энергетического уровня Е 2 ограничена. В стационарном режиме устанавливается постоянное значение N 2, определяемое балансом процессов возбуждения и излучения.
В данной работе используется газовый гелий-неоновый лазер, принципиальная схема которого приведена на рис.54.3.
Лазер состоит из газоразрядной трубки 1, наполненной смесью гелия (давление ~1мм рт.ст.) и неона (давление ~ 0.1 мм рт.ст.) и помещенной между зеркалами 4 и 5 с коэффициентами отражения, близкими к единице. Концы трубки закрыты плоско параллельными пластин-
Рисунок 54.3 ками 2 и 3, обеспечивающими линейную
поляризацию лазерного излучения с электрическим вектором, параллельным плоскости падения. При пропускании тока через гелий-неоновую смесь атомы гелия электронным ударом возбуждаются до метастабильных состояний Е 2 и Е 3 накапливаются на них, так как вероятность спонтанного перехода с этих уровней на основной уровень Е 1 очень мала (рис.54.4).
Рисунок 54.4
При столкновении возбужденных атомов гелия с невозбужденными атомами неона происходят безызлучательные переходы атомов гелия в невозбужденное состояние с передачей энергии возбуждения атомам неона. Эти процессы идут очень эффективно вследствие хорошего совпадения энергий соответствующих уровней. В результате на уровнях Е 6 и Е 4 неона образуется инверсная населенность относительно уровней Е 5 и Е 3, приводящая к возможности лазерного излучения.
Лазер генерирует красный свет с длиной волны 632,8 нм, а также инфракрасное излучение с длинами волн 3,39 мкм и 1,15мкм.
|
|
|
ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ И МЕТОДА ИЗМЕРЕНИЯ
Установка для измерений схематически изображена на рис.54.5, где 1 - лазер, 2 - дифракционная решетка, 3 – расширитель лазерного пучка, 4 - анализатор с фотоэлементом и круговой шкалой, 5- экран с измерительной шкалой. На экране наблюдается дифракционная картина, формируемая дифракционной решеткой, на которую падает лазерный луч.
Рисунок 54.5.
Из условия максимумов дифракционной решетки
d sin j = k l, (54. 5)
где d - постоянная решетки, j - угол дифракции, k - порядок максимума, может быть найдена длина волны лазерного излучения
l = d sin j / k, (54. 6)
где sin j = (х ¢k + х ¢¢k) / 
, l - расстояние от дифракционной решетки до экрана, а х ¢k, х ¢¢k - положения максимумов k - го порядка слева и справа от нулевого.
Тогда
(54.7)
Сняв решетку и установив расширитель 3 лазерного луча, а также анализатор 4 с фотоэлементом, можно исследовать зависимость фототока от угла поворота анализатора, что позволит определить положение в пространстве плоскости колебаний вектора 
.
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
Упражнение 1. Определение длины волны излучения лазера.
1. Устанавливают держатель с дифракционной решеткой 2 на расстоянии l = 50 см от экрана. (Расширитель 3 и анализатор 4 сняты с оптической скамьи)
2. Включают лазер.
3. С помощью шкалы на экране определяют положение максимумов k -порядка слева х ¢k, и справа х ¢¢k от нулевого. Измерения производят для максимумов всех порядков, наблюдаемых на экране. Результаты измерений записывают в таблицу.
4. Выключают лазер.
Упражнение 2. Определение направление поляризации излучения лазера.
1. Сняв дифракционную решетку 2, устанавливают на оптической скамье между лазером и экраном расширитель 3 и анализатор 4 с фотоэлементом.
2. Включают лазер и регулируют положение элементов 3 и 4 и так, чтобы большая часть светового пучка попадала в окошко анализатора.
|
|
|
3. Устанавливают поворотное устройство анализатора на начало отсчета (по круговой шкале), определяют величину фототока по прибору, соединенному с фотоэлементом. Проводят измерения фототока, поворачивая анализатор ступенями по 15° вплоть до 360°. Результаты измерений заносят в таблицу.
4. Выключают лазер.
ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ
1. Рассчитывают длину волны по формуле (54.6) для максимумов каждого порядка и находят среднее значение <l>.
2. Рассчитывают погрешность результата измерений Dl как для прямых измерений.
3. Записывают окончательный результат в виде
l = <l > ± Dl.
4. Строят в полярных координатах график зависимости фототока от угла поворота анализатора.
5. По графику определяют ориентацию вектора .
Примечание. В лаборатории имеется две установки. В одной из них источником излучения служит газовый гелий-неоновый лазер, а в другой – твердотельный лазер. Их свойства и характеристики несколько различны.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ
1. Какое явление лежит в основе работы лазера?
2. При каком условии устанавливается стационарный режим излучения?
3. На дифракционную решетку с периодом d падает нормально монохроматический свет. Максимум второго порядка наблюдается под углом j2 . Определить длину световой волны l.
4. Какие типы лазеров известны к настоящему времени?
5. Как осуществляется накачка усиливающей среды в He-Ne лазере?
6. Определить наибольший порядок максимума, который можно получить с помощью решетки, имеющей N штрихов на миллиметр, если свет с длиной волны l падает на решетку нормально.
Список литературы
1. Трофимова, Т.И. Курс физики. Учебное пособие для инженерно-технических специальностей вузов [Текст] /Т. И. Трофимова – М.: Академия, 2008. – 557 с.
2. Детлаф, А.А. Курс физики. Учебное пособие для втузов [Текст] /А. А. Детлаф, Б. М. Яворский.– М.: Высшая школа, 2001. – 717 с.
3. Ландсберг Г. С. Оптика. Учебное пособие для вузов [Текст] / Г. С. Ландсберг – М.: Физматлит, 2006. – 848 с.
4. Оптические измерения: Учебное пособие для вузов [Текст] / А. Н. Андреев [и др.] – М.: Логос, 2008. – 415 с.
5. Можаров Г. А. Основы геометрической оптики: Учебное пособие для вузов [Текст] /Г. А. Можаров – М.: Логос, 2006. – 278 с.
6. Малышев В. А. Основы квантовой электроники и лазерной техники: Учебное пособие для вузов [Текст] /В. А. Малышев – М.: Высшая школа, 2005. – 542 с.
7. Физические величины. Справочник [Текст] / /под ред. И.С.Григорьева, Е.З.Мейлихова. – М.: Энергоатомиздат, 1991. – 1232 с.
8. Раннев Г.Г. Методы и средства измерений. Учебник для студентов вузов [Текст] / Г.Г. Раннев, А. П. Тарасенко – М.: Академия, 2008. – 330 с.
Приложения.
Приложение 1.
Длины волн видимой части спектра
| Цвет | Границы участков, нм (примерно) | Цвет | Границы участков, нм (примерно) |
| Фиолетовый Синий Голубой Зеленый | 380-450 450-480 480-530 530-550 | Желто-зеленый Желтый Оранжевый Красный | 550-575 575-585 585-620 620-760 |
Приложение 2.
Линии излучения спектра водорода
| Длина волны, нм | Относительная интенсивность | Длина волны, нм | Относительная интенсивность |
| 388,9 | 0,1 | 486,1 | 11 |
| 410,2 | 0,4 | 656,3 | 100 |
| 434,0 | 2 | - | - |
Приложение 3.
Линии излучения спектра ртути
| Длина волны, нм | Относительная интенсивность | Длина волны, нм | Относительная интенсивность |
| 365,5 | 15 | 546,1 | 100 |
| 404,7 | 51 | 577,0 | 20 |
| 407,8 | 3 | 579,1 | 18 |
| 435,8 | 89 | 623,4 | 0,1 |
| 491,6 | 0,4 | 690,7 | 0,5 |
Приложение 4.
Показатели преломления n кристаллов для длины волны l =589,3 нм
| Вещество | о-луч | е-луч | Вещество | о-луч | е-луч |
| Кварц | 1,544246 | 1,553355 | Турмалин | 1,669 | 1,638 |
| Корунд (сапфир, рубин) | 1,769 | 1,760 | Исландский шпат | 1,6584 | 1,4864 |
| Берилл (изумруд) | 1,581 | 1,575 | - | - | - |
Приложение 5.
Показатели преломления (n) веществ при 20°С относительно воздуха
(для длины волны l = 589,3 нм)
| Вещество | n | Вещество | n |
| Алмаз | 2,4165 | Ацетон | 1,36 |
| Калий бромистый иодистый хлористый | 1,560 1,6664 1,4904 | Бензол | 1,501 |
| Кальций фтористый (флюорит) | 1,4339 | Вода | 1,333 |
| Каменная соль | 1,544 | Глицерин | 1,470 |
| Лед | 1,31 | Канадский бальзам | 1,530 |
| Литий фтористый | 1,392 | Масло касторовое | 1,48 |
| Натрий фтористый хлористый | 1,3255 1,5443 | Серная кислота | 1,43 |
| Плексиглас | 1,50 | Сероуглерод | 1,63 |
| Сахар | 1,56 | Соляная кислота | 1,254 |
| Слюда | 1,56-1,60 | Спирт метиловый этиловый | 1,33 1,362 |
| Стекло (флинт), (крон) | 1,54-1,80 1,47-1,65 | Толуол | 1,497 |
| Топаз | 1,63 | Эфир этиловый | 1,354 |
| Анилин | 1,586 | Янтарь | 1,546 |
Приложение 6.
Физические постоянные
| Постоянная Больцмана Элементарный заряд Удельный заряд электрона Скорость света в вакууме Постоянная Стефана-Больцмана Постоянная закона смещения Вина Постоянная Планка Постоянная Ридберга Электрическая постоянная | k =1,38.10-23 Дж/К е = 1,60.10-19 Кл e/m = 1,76.1011 Кл/кг с =3,00.108 м/с s = 5,67.10-8 Вт/(м2 .К4) b = 2,90.10-3 м.К h =6,63.10-34 Дж.с R = 2,07.10-18 с-1 e0 =8,85.10-12 Ф/м |
Приложение 7.
Работа выхода (А) для элементов-поликристаллов, эВ
| Элемент | А | Элемент | A | Элемент | A | Элемент | A |
| Li | 2,38 | Mn | 3,83 | Nb | 3,99 | Ta | 4,12 |
| Be | 3,92 | Fe | 4,31 | Mo | 4,3 | W | 4,54 |
| B | 4,5 | Co | 4,41 | Ru | 4,60 | Re | 5,0 |
| C | 4,7 | Ni | 4,50 | Rh | 4,75 | Os | 4,7 |
| Na | 2,35 | Cu | 4,40 | Pd | 4,8 | Ir | 4,7 |
| Mg | 3,64 | Zn | 4,24 | Ag | 4,3 | Pt | 5,32 |
| Al | 4,25 | Ga | 3,96 | Cd | 4,1 | Au | 4,30 |
| Si | 4,8 | Ge | 4,76 | In | 3,8 | Hg | 4,52 |
| K | 2,22 | As | 4,72 | Sn | 4,38 | Tl | 3,7 |
| Ca | 2,80 | Se | 4,72 | Ba | 2,49 | Pb | 4,0 |
| Ti | 3,95 | Rb | 2,16 | La | 3,3 | Bi | 4,4 |
| V | 4,12 | Sr | 2,35 | Ce | 2,7 | Th | 3,30 |
| Cr | 4,58 | Y | 3,3 | Hf | 3,53 | U | 3,3 |
Приложение 8.
Масса покоя элементарных частиц
| Частица | m0, кг |
| Электрон Протон Нейтрон a-частица | 9,11.10-31 1,672.10-27 1,675.10-27 6,64.10-27 |
Приложение 9.
Коэффициенты Стьюдента t an
(n - число измерений, a - надежность)
 a
n
| 0,5 | 0,6 | 0,7 | 0,8 | 0,9 | 0,95 | 0,98 | 0,99 | 0,999 |
| 2 3 4 5 6 7 8 9 10 15 20 25 30 40 50 100 | 1,00 1,82 0,77 0,74 0,73 0,72 0,71 0,71 0,70 0,69 0,69 0,69 0,68 0,68 0,68 0,68 | 1,38 1,06 0,98 0,94 0,92 0,90 0,90 0,90 0,88 0,87 0,86 0,86 0,85 0,85 0,85 0,85 | 2,0 1,3 1,3 1,2 1,2 1,1 1,1 1,1 1,1 1,1 1,1 1,1 1,1 1,1 1,0 1,0 | 3,1 1,9 1,6 1,5 1,5 1,4 1,4 1,4 1,4 1,3 1,3 1,3 1,3 1,3 1,3 1,3 | 6,3 2,9 2,4 2,1 2,0 1,9 1,9 1,9 1,8 1,8 1,7 1,7 1,7 1,7 1,7 1,7 | 12,7 4,3 3,2 2,8 2,6 2,4 2,4 2,3 2,3 2,1 2,1 2,1 2,0 2,0 2,0 2,0 | 31,8 7,0 4,5 3,7 3,4 3,1 3,0 2,9 2,8 2,6 2,5 2,5 2,5 2,4 2,4 2,4 | 63,7 9,9 5,8 4,6 4,0 3,7 3,5 3,4 3,3 3,0 2,9 2,8 2,8 2,7 2,7 2,6 | 636,2 31,6 12,9 8,6 6,9 6,0 5,4 5,0 4,8 4,1 3,9 3,7 3,7 3,6 3,5 3,4 |
Приложение 10.
Основные единицы СИ
|
Величина | Единица |
Величина | Единица | ||
| Наимено- вание | Обозначение | Наименование | Обозначение | ||
| длина | метр | м | температура | кельвин | К |
| масса | килограмм | кг | количество вещества | моль | моль |
| время | секунда | с | сила света | кандела | кд |
| электрический ток | ампер | А | |||
Приложение 11.
Производные единицы СИ
| Величина | Единица | Величина | Единица | ||
| Наимено- вание | Обозначение | Наимено- вание | Обозна-чение | ||
| частота | Герц | Гц | Проводимость | Сименс | См |
| сила | Ньютон | Н | магнитная индукция | Тесла | Тл |
| давление | Паскаль | Па | поток магнитной индукции | Вебер | Вб |
| энергия | Джоуль | Дж | индуктивность | Генри | Гн |
| мощность | Ватт | Вт | Поток излучения | Ватт | Вт |
| Электрический заряд | Кулон | Кл | Энергетическая светимость | Ватт на квадратный метр | Вт/ м2 |
| Электрический потенциал | Вольт | В | Световой поток | Люмен | лм |
| Электрическая емкость | Фарад | Ф | Освещенность | Люкс | лк |
| Электрическое сопротивление | Ом | Ом | Яркость | Кандела на квадратный метр | кд/ м2 |
Приложение 12.
