Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
PAGE 1
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Юго-западный государственный университет»
Кафедра «Теоретическая и экспериментальная физика»
ИЗУЧЕНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ОСНОВ РАБОТЫ ЛАЗЕРА.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДЛИНЫ ВОЛНЫ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ПОМОЩЬЮ ДИФРАКЦИОННОЙ РЕШЕТКИ.
ИССЛЕДОВАНИЕ ЯВЛЕНИЯ ДИФРАКЦИИ И ИНТЕРФЕРЕНЦИИ С ПОМОЩЬЮ ЛАЗЕРА.
Методические указания по выполнению лабораторных работ
№ 71,72,73 по курсу «Физика» для студентов инженерно-технических специальностей
Курск 2010
УДК 53
Составители: Л.А. Желанова, А.А. Родионов
Рецензент
Кандидат физико-математических наук, доцент кафедры физики
Е.В. Пьянков
Изучение физических основ работы лазера. Определение длины волны лазерного излучения с помощью дифракционной решётки. Исследование явления дифракции и интерференции с помощью лазера: методические указания по вы полнению лабораторных работ № 71,72,73 по курсу «Физика» для студентов инженерно-технических специальностей / Курск, гос. техн. ун-т; сост.: Л.А. Желанова, А.А. Родионов. Курск, 2010. 7 с. Библи-огр.: с.7.
Содержат сведения по изучению явления внутреннего фотоэффекта.
Предназначены для студентов инженерно-технических специальностей дневной и заочной форм обучения.
Текст печатается в авторской редакции
Подписано в печать . Формат 60x84 1/16. Усл.печ.л. 3,13. Уч.-изд.л. 3,37. Тираж 100 экз. Заказ. Бесплатно.
Курский государственный технический университет. Издательско-полиграфический центр Курского государственного технического университета. 305040 Курск, ул. 50 лет Октября, 94.
Цель работ: знакомство с конструкцией и принципом действия лазе ра, а также использование его для изучения интерференции и ди фракции света.
Принадлежности: оптический лазер, дифракционная решетка, щеле вая диафрагма, непрозрачный экран.
Теоретическое введение
1. Физические основы работы гелий-неонового лазера.
Основной элемент лазера - разрядная трубка 1 (рис. 1) с нака ливаемым катодом 2 и анодом 3. В трубке на ходится гелий и неон с парциальным давлени ем 130 и 13 Па соответ ственно. За счет разо грева катода при разности потенциалов между анодом и катодом 2-2,5 кВ через трубку идет ток 40 мА. При этом неон дает видимое излучение за счет возбужде ния атомами гелия. Атомы гелия возбуждаются электронами, возни кающими при газовом разряде в трубке.
Рис. 1. Разрядная трубка
Схема энергетических уровней Не и Ne представлены на рис.2. Обычно отдельные возбужденные атомы переходят самопроизвольно на более низкие энергетические уровни независимо друг от друга, по этому свет, излученный всей группой атомов не когерентен. В лазере эти атомы совершают переход упорядоченно по отношению друг к дру гу. Эта фазировка колебаний атомов обуславливается индуцированным испусканием и наличием резонатора. Когда переход возбужденного атома Ne на более низкий уровень индуцируется ("наводится") квантом света, то этот атом Ne излучает фотон той же частоты и фазы, что ин дуцирующий фотон, испущенный каким-либо атомом Ne.
Это позволяет сфазировать колебания атомов между собой, а с другой стороны, когерентно усиливать свет. Любой квант света, воз никший в результате самопроизвольного перехода атома Ne с верхне го уровня на нижний, будет размножен индуцированным излучением той же частоты (и фазы) других возбужденных атомов Ne. Так обра зуется лавина фотонов, что дает мощное когерентное излучение вы сокой степени монохроматичности. Роль резонатора (как и звуковых волн в резонаторе Гельмгольца) сводится к выделению из всего воз можного спектра только тех типов колебаний (мод), на которые он настроен.
Для успешной работы этого механизма усиления света нужно, чтобы число индуцированных (наведенных) переходов с испусканием фотонов было больше числа переходов с поглощением фотонов той же частоты, а для этого нужно, чтобы число атомов Ne с электронами на верхнем уровне было больше числа невозбужденных атомов. Та кое состояние системы атомов называют состоянием инверсной засе ленности (или отрицательной температуры) по этим двум уровням. В лазерах активная среда и представляет собой такую систему, эта сре да играет роль усилителя в радиотехнических генераторах, самопро извольное излучение - роль шума, а резонатор - роль системы обрат ной связи с фазирующей цепью (например, ламповый генератор незатухающих колебаний).
Резонатором является система плоских зеркал 4, 5 (рис.1) парал лельных друг другу. Многократное прохождение излучения вдоль оси разрядной кварцевой трубки 1 приводит к формированию коге рентного излучения при исключительной его направленности. Точ ность обработки плоскости зеркал ≈0,01 мкм. Угол между зеркалами 4 и 5 не больше 0,5". Коэффициент отражения зеркал ≥99%. Разряд в трубке (возбуждение атомов Не) осуществляется на частоте 27 МГц. Стабильность частоты излучения лазера не хуже 20 Гц за несколько секунд. Расходимость пучка около 20".
Инверсия заселенности создается за счет использования верхних уровней атомов неона 2S (рис.2). Перевод же атомов Ne в 2S состоя ние производится с возбужденного уровня Не 2"S, очень близкого к уровням неона 2S, при соударении атомов Не и Ne. В гелий-неоновом лазере используется переход 3S→2р.
2. Схема установки и порядок работы с лазером.
Применяемый в данной работе газовый лазер состоит из трубки 1 на рейторах 2, перемещающихся по оптической скамье 3 и блока питания (рис. 3). На рейторе 4 крепится регулируемая щелевая диа фрагма 5. На скамье устанавливается экран 6 с миллиметровой шка лой, дифракционная решетка и линза.
Включение лазера
Включаем тумблер "сеть" на панели блока питания. После этого лазер включается.
НАДО ПОМНИТЬ!
1. Прямое попадание лазерного луча в глаз недопустимо (вызы вает слепоту), поэтому надо пользоваться экранами с рассеивающей поверхностью и ни в коем случае зеркальной.
2. Включать лазер может только лаборант или преподаватель.
3. Всякое перемещение трубки включенного лазера недопустимо!
Задание 1. Измерение длины волны излучения лазера с помощью
дифракционной решетки.
Для этого устанавливаем щелевую диафрагму 5 (рис.3), полно стью раскрываем винтом, либо убираем, и вместо неё ставим дифрак ционную решетку с постоянной d. Объектив снимаем со скамьи 3. Включаем лазер и устанавливаем экран перпендикулярно пучку и дифракционной решетке (добиваемся совпадения светового блика, отраженного от решетки, с центром лазерного пучка).
На экране наблюдается множество неперекрывающихся спек тров разных порядков. В центре располагается спектр нулевого по рядка (к = 0). Под расстоянием между дифракционными спектрами понимают расстояние между серединами спектров (полосок). Длина волны определяется по формуле d*sinφ = kλ (k = ±1, ±2,..., ±kmax), где φ - угол дифракции (рис. 4).
Угол φ определяется из соотношения: Хк / 2L = tg φ k , где Хк - расстояние между левым и правым максимумом порядка k. Расстояние от дифракционной решетки до плоскости экрана L = l ± Δl1 ± Δl2.
Основной отрезок l - расстояние между рейтором 5 (рис.3) и эк раном 6 -отсчитывается по шкале скамьи. Отрезок Δl1 - расстояние между дифракционной решеткой и отсчетной пластинкой с риской на корпусе рейтора 5. Расстояние Δl2 измеряется между экраном и отсчетной пластинкой с риской на рейторе. Для k > 0 и k < 0 измеряет ся Хк. Для каждого Хк рассчитывают λ. Затем находят λ среднее из всех измерений.
Задание 2. Наблюдение явления дифракции на щели.
Вместо дифракционной решетки ставим щелевую диафрагму, ширину которой берем такой, чтобы расстояние между левым и пра вым максимумами первого порядка было не более 40 мм. На основе соотношения условия наблюдения максимумов:
находим ширину щели b для трех значений k. Определяем среднее значение b.
Задание 3. Изучение дифракции Френеля у прямолинейного края
непрозрачного экрана.
В данном задании необходимо получить цилиндрическую волну, падающую на кромку препятствия. Получают ее так: щелевую диафрагму 5 (рис. 5) раз двигаем на 2 мм для получения прямоугольного пучка. Ста вим объектив 6 3,7x0,11. Из его фокуса F распространяется ци линдрическая монохроматическая волна, попадающая на препятствие 7 на расстоянии 35 мм от него/
Задание 4. Наблюдение полос равного наклона.
Длина цуга волны, излучаемой лазером, велика, поэтому можно наблюдать интерференцию при большой разности хода. Сферическая волна, выходящая из фокуса F (рис. 6) попадает на пластинку 2. Ис пользуется объектив 8x22.
Отражения от передней и задней поверхности пучка дают на эк ране 3 концентрические кольца (если линза 1 и пластинка 2 (рис.6) расположены перпендикулярно лазерному пучку). Центр картины должен совпадать с осью объектива. Условие минимума для угла падения запишется в виде 2*d*n*cos(r) = kλ, где d - толщина пластинки, n = 1,511 - показатель преломле ния стекла. Угол преломления r внутри пластины связан с углом падения на пластину sin i / sin r = n. При малых углах
i / r ≈ n. Тогда cos(r) = l и 2*d*n = kλ. To есть, измеряя
d и k (номер темного кольца), можно вычислить λ (k = 0 для центрально го кольца).
Если измерять радиусы темных колец Rk на экране 3 (рис. 6) и расстояние L, то tg(i k) = Rk / 2L
Отсюда, зная n, находим Rk. Далее необходимо замерить все ви димые диаметры светлых и темных колец и рассчитать углы r для них. Затем найти среднее значение λ излучения лазера.
Контрольные вопросы:
1. Физические основы работы гелий-неонового лазера.
2. Механизм возникновения индуцированного излучения.
3. Понятие о инверсной заселенности и отрицательных темпе ратурах.
4. Свойства лазерного излучения.
5. Лазеры непрерывного и импульсного действия. Твердотель ные, жидкостные лазеры.
6. Условия возникновения дифракционных минимумов и максимумов на дифракционной решетке и на одиночной щели.
7. Дифракция Френеля от прямолинейного края непрозрачного экрана.
8. Схема наблюдения полос равного наклона с помощью лазера.
Библиографический список