Заказ работы

Заказать
Каталог тем

Самые новые

Значок файла Определение показателя адиабаты воздуха методом Клемана-Дезорма: Метод, указ. / Сост.: Е.А. Будовских, В.А. Петрунин, Н.Н. Назарова, В.Е. Громов: СибГИУ.- Новокузнецк, 2001.- 13 (4)
(Методические материалы)

Значок файла ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОТНОШЕНИЯ ТЕПЛОЁМКОСТИ ГАЗА ПРИ ПОСТОЯННОМ ДАВЛЕНИИ К ТЕПЛОЁМКОСТИ ГАЗА ПРИ ПОСТОЯННОМ ОБЪЁМЕ (3)
(Методические материалы)

Значок файла Лабораторная работа 8. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДИСПЕРСИИ ПРИЗМЫ И ДИСПЕРСИИ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ СТЕКЛА (5)
(Методические материалы)

Значок файла ОПРЕДЕЛЕНИЕ УГЛА ПОГАСАНИЯ В КРИСТАЛЛЕ С ПО-МОЩЬЮ ПОЛЯРИЗАЦИОННОГО МИКРОСКОПА Лабораторный практикум по курсу "Общая физика" (3)
(Методические материалы)

Значок файла Лабораторная работа 7. ПОЛЯРИЗАЦИЯ СВЕТА. ПРОВЕРКА ЗАКОНА МАЛЮСА (6)
(Методические материалы)

Значок файла Лабораторная работа № 7. ИЗУЧЕНИЕ ВРАЩЕНИЯ ПЛОЩАДИ ПОЛЯРИЗАЦИИ С ПОМОЩЬЮ САХАРИМЕТРА (5)
(Методические материалы)

Значок файла Лабораторная работа 6. ДИФРАКЦИЯ ЛАЗЕРНОГО СВЕТА НА ЩЕЛИ (6)
(Методические материалы)

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