Заказ работы

Заказать
Каталог тем
Каталог бесплатных ресурсов

Газовый лазер непрерывного действия. Изучение явления дифракции света

ГАЗОВЫЙ ЛАЗЕР НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ. ИЗУЧЕНИЕ ЯВЛЕНИЯ ДИФРАКЦИИ СВЕТА 1 ЦЕЛЬ РАБОТЫ Изучение принципа действия и конструкции газового лазера и ис-пользование его как монохроматического когерентного источника для изучения явления дифракции света. 2 БИБЛИОГРАФИЯ 1. Савельев И.В. Курс физики: Учеб. пособие для студентов втузов.- [В 3-х т.].- Т.2: Электричество и магнетизм. Волны. Оптика.- М.: Нау-ка, 1989.- 496 с. 2. Сивухин Д.В. Общий курс физики.- М.: Наука, 1980.- 752 с. 3. Бутиков Е.И. Оптика: Учеб. пособие для вузов / Под ред. Н.И. Калитеевского.- М.: Высш. шк., 1986.- 512 с. 3 ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ Принцип действия гелий-неонового лазера Рисунок 1 Газовый лазер представляет собой прибор, относящийся к оптиче-ским квантовым генераторам. Основным элементом гелиево-неонового лазера непрерывного дей-ствия является газоразрядная трубка Т (рисунок 1), имеющая накали-ваемый катод К и анод А. Трубка наполнена смесью гелия (Не) (парци-альное давление Не 1 мм рт. ст) и неона (Ne) (парциальное давление Ne 0,1 мм рт. ст). Внутренний диаметр трубки 1...10 мм, длина от несколь-ких десятков сантиметров до 1,5...3 м. Концы трубки закрыты плоско-параллельными стеклянными или кварцевыми окнами Р1 и Р2, установ-ленными под углом Брюстера к ее оси. Для линейно поляризованного излучения с электрическим вектором в плоскости падения коэффици-ент отражения от них равен нулю. Поэтому брюстеровские окна обес-печивают линейную поляризацию излучения лазера и исключают поте-ри энергии при распространении света из активной зоны к зеркалам и обратно. Трубка помещена в резонатор, образованный зеркалами В1 и В2 с многослойным диэлектрическим покрытием. Такие зеркала имеют очень высокий коэффициент отражения в рабочем спектральном ин-тервале и практически не поглощают свет. Пропускная способность зеркала, через которое преимущественно выходит излучение лазера, составляет обычно 1...2%, другого - менее 1%. На электроды трубки подается напряжение 1...2 кВ. При накален-ном катоде и указанном напряжении в наполняющих трубку газах мо-жет поддерживаться тлеющий электрический разряд. Тлеющий разряд создает условия для возникновения инверсии населенностей уровней в неоне. Типичная сила тока в газовом разряде - десятки миллиампер. Видимое излучение разряда дает неон, но необходимое для этого возбуждение атомов осуществляется с помощью атомов гелия. Упро-щенная схематическая картина энергетических уровней атомов Не и Ne показана на рисунке 2. За счет соударений с электронами атомы Не переходят в возбуж-денное состояние (23S и 21S). Эти уровни метастабильны с энергией 19,82 и 20,61 эВ соответственно. Спонтанный радиационный переход с этих уровней на основной уровень по правилам отбора запрещен, т.е. происходит с очень малой вероятностью. Рисунок 2 Время жизни атома на уровнях 21S и 23S велико в сравнении с вре-менем жизни на обычных возбужденных уровнях, поэтому на этих ме-тастабильных уровнях накапливается очень много атомов Не. Но уров-ни неона 3S и 2S практически совпадают с метастабильными уровнями 21S и 23S гелия. Благодаря этому, при столкновении возбужденных атомов Не с атомами Ne происходят переходы атомов Ne в возбужден-ное состояние с резонансной передачей энергии атомов гелия атомам неона. Процесс возбуждения атомов Ne изображен горизонтальными пунктирными стрелками (рисунок 2). В результате концентрации ато-мов неона на уровнях 3S и 2S сильно возрастают, и возникает инверс-ная заселенность энергетических уровней по отношению к уровню 2Р. В трубке создается активная среда, состоящая из атомов Ne, обладаю-щих инверсной заселенностью энергетических уровней электронов. Спонтанное излучение отдельных возбужденных атомов приводит к распространению в активной среде фотонов, соответствующих элек-тронным переходам в атомах неона с уровней 3S на уровни 2P. Под действием электромагнитного поля распространяющихся в разряде фотонов (сначала спонтанно излученных возбужденными ато-мами неона) происходит индуцированное когерентное излучение дру-гих возбужденных атомов неона, т.е. активной среды, заполняющей трубку лазера. Массовое нарастание этого процесса обеспечивается многократным прохождением излучения между зеркалами В1 и В2 ре-зонатора, что приводит к формированию мощного индуцированного потока направленного когерентного излучения лазера. Минимальная угловая ширина лазерного светового пучка определяется дифракцией, связанной с ограничением поперечного сечения пучка, т.е. только с волновыми свойствами света. Это важнейшее обстоятельство отличает лазерный источник от любого другого источника света. 4 ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ 1 Газовый лазер ЛГ78. 2 Оптическая скамья. 3 Блок питания. 4 Дифракционная решетка. 5 Стеклянные пластины с напыленными между ними микрочасти-цами. 6 Экран с миллиметровой шкалой. 5 РАБОТА С ГАЗОВЫМ ЛАЗЕРОМ Включить тумблер "Сеть". Переключатель "Регулировка тока" ус-тановлен в рабочем положении преподавателем или лаборантом. Кате-горически запрещается переводить его в другое положение. Во время работы с лазером необходимо помнить, что попадание в глаза прямого лазерного излучения опасно для зрения. Поэтому при работе с лазером его свет наблюдается после отраже-ния на экране с рассеивающей поверхностью. Категорически запрещается смотреть на прямой лазерный луч! Включать лазер можно только под контролем преподавателя или ла-боранта 6 ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ Упражнение 1 Измерение длины волны излучения лазерапри помощи дифракционной решетки Направленность и пространственная когерентность излучения лазе-ра позволяет применять его в ряде измерений без предварительной коллимации. Установка для проведения данного упражнения включает лазер, рейтер с дифракционной решеткой, экран с миллиметровой шкалой для наблюдения дифракционной картины (рисунок 3). Рисунок 3 Дифракционная решетка устанавливается перпендикулярно к оси светового луча, выходящего из лазера. Для этого световой блик, отра-женный от плоскости решетки, необходимо провести точно на сере-дину выходного окна лазера, т.е. добиться совпадения выходящего из лазера светового пучка и его отражения от плоскости решетки. Ввиду монохроматичности излучения лазера, на экране наблюдает-ся множество неперекрывающихся дифракционных спектров различ-ных положительных и отрицательных порядков. Эти спектры образуют на экране ряд красных полосок, повторяющих сечение первичного све-тового пучка, падающего на решетку. Экран устанавливается перпендикулярно к пучку света, и порядки спектров располагают симметрично относительно нуля шкалы экрана. Под расстоянием между дифракционными спектрами и спектром нулевого порядка надо понимать расстояние между серединами на-блюдаемых спектров (полосок). Расчет длины волны ведется по формуле (1) где d - постоянная решетки (в нашем случае d = 0,01 мм); - угол дифракции; k - порядок спектра; ? - длина волны лазерного излучения. Рисунок 4 Угол дифракции определяется из соотношения (2) где - расстояние между левым и правым максимумами порядка k; L - расстояние от плоскости дифракционной решетки до плоско-сти экрана (рисунок 4). Подставляя (2) в (1), получаем (3) Порядок выполнения упражнения 1 1 Измерить расстояние в спектре первого (k = 1), второго (k = 2) и третьего (k = 3) порядков при различных расстояниях экрана от дифракционной решетки. 2 Результаты измерений занести в таблицу 1. 3 Вычислить длину волны, соответствующую излучению лазера. Таблица 1 Порядок спектра K L, м Xk, м ?i, м , м ??i, м , м ??, м ?, % 1 2 3 Обработка экспериментальных данных 1 Вычислить длину волны для каждого измерения по формуле (3). 2. Вычислить среднее значение где n - число из-мере-ний. 3 Вычислить абсолютные ошибки отдельных измерений 4 Подсчитать среднюю квадратичную погрешность 5 Задать значение надежности ? (по указанию преподавателя). 6 Определить по таблице Стьюдента и вычислить границы доверительного интервала 7 Вычислить относительную погрешность Значение найденной величины ? использовать в расчетах, необходимых в сле-дующем упражнении. Упражнение 2 Фраунгоферова дифракция лазерного излучения на малых круглых частицах Монохроматический, хорошо коллимированный и пространственно когерентный луч лазера дает возможность непосредственно наблюдать дифракцию света на круглых частицах. Для того, чтобы углы дифракции на частицах были значительными, размер частиц должен быть малым. Однако, если в световой пучок по-местить одну малую частицу, то даваемую ей на удаленном экране ди-фракционную картину наблюдать будет трудно, т.к. картина будет про-ектироваться на светлый фон, созданный частью светового пучка, не испытавшей дифракцию. Для получения хорошо видимой дифракционной картины нужно поместить на пути светового пучка множество хаотически располо-женных одинаковых частиц. В самом деле, поскольку исследуется фраунгоферова дифракция, любая отдельная частица, независимо от ее положения в плоскости поперечного сечения светового пучка, дает одинаковое распределение дифрагированного света. При одновременном присутствии в сечении пучка многих частиц, угловое распределение дифрагированного света, создаваемого каждой частицей в отдельности, не нарушается, если нет систематического ин-терференционного эффекта между световыми пучками, дифрагиро-вавшими на разных частицах. Если в плоскости поперечного сечения светового пучка частицы расположены хаотически, то в силу равной вероятности всех значений фаз волн, дифрагированных по различным направлениям, складывать-ся будут только интенсивности световых пучков, дифрагированных на разных частицах. Дифракционная картина от N частиц усилится по ин-тенсивности в N раз по сравнению с дифракционной картиной отдель-ной частицы, не изменяя своей структуры. Это обстоятельство и ис-пользуется в настоящем эксперименте. Установка остается той же, что и в упражнении 1, но вместо ди-фракционной решетки на рейтере устанавливается оправка со стеклян-ными пластинами, между которыми напылены частички ликоподия (споры растения плауна), представляющие собой шарики, приблизи-тельно одинакового малого размера. На экране после включения лазера можно будет наблюдать систему концентрических светлых и темных дифракционных колец, окружаю-щих светлый круг. Угловые радиусы ?i темных колец подчиняются соотношениям: . (4) Угловые радиусы ?i светлых колец (5) где r - радиус частицы, вызвавшей дифракцию света. Значения sin?i рассчитываются из условия (6) где Di - линейный диаметр соответствующего дифракционного кольца на экране; L - расстояние от стеклянной пластины до экрана. Порядок выполнения упражнения 2 и обработка экспериментальных данных 1 Измерить диаметры первого (D1) и второго (D3) темных колец при различных расстояниях L. Результаты занести в табл. 2. 2 Построить график зависимости D = f(L) для каждого из дифрак-ционных минимумов, т.е. D1 = f(L) и D3 = f(L). 3 Определить тангенсы углов дифракции, соответствующих перво-му и второму темному кольцу, используя формулу (6), и среднее зна-чение радиуса частицы с помощью соотношений (4). 4 Определить погрешность измерений. Записать окончательный ре-зультат в виде r = ? (м). 5 Сделать выводы по работе. Таблица 2 № опыта L, м D1, м D3, м tg?1 tg?3 r1, м r3, м (??r), м ?, % 1 2 ... 5 7 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1 Объясните принцип действия и конструкцию газового лазера. 2 Сформулируйте принцип Гюйгенса-Френеля. Как он применяется при изучении явлений дифракции? Что такое зоны Френеля? 3 В чем заключается дифракция Фраунгофера и дифракция Френе-ля? 4 Получите условия главных максимумов, побочных максимумов для дифракционной решетки. 5 Получите условия главных максимумов при дифракции света на щели. 6 Что такое разрешающая сила дифракционной решетки и как она изменяется с изменением числа щелей? 7 Что такое линейная, угловая дисперсии дифракционной решетки и как они определяются? 8 Объясните дифракцию Фраунгофера на системе малых круглых частиц. Как зависит интенсивность дифракционной картины от числа частиц?

Размер файла: 128 Кбайт
Тип файла: doc (Mime Type: application/msword)
Заказ курсовой диплома или диссертации.

Горячая Линия


Вход для партнеров