II. Монохроматичность

В начале возникновения луча лазера в нем одновременно и независимо усиливается множество волн, порожденных отдельными фотонами, испущенны спонтанно вдоль оси резонатора. В преимущественном положении оказываются те волны, которые проходя активную среду в прямом и в обратном направлении, будут усиливать себя, т.е. на оптическом пути 2 будет укладываться целое число длин волн: 2l=m λ (m – целое число, l - длина резонатора).

В за­висимости от значения m могут возникнуть стоячие волны различных длин волн, (называемые модами резонатора), которые конкурируют между собой. В наиболее благоприят­ных условиях оказываются те из волн, для которых длина волны совпадает с вершиной спектральной линии или расположена вблизи ее (рис.5).

Рис. 5

Интенсивность таких волн возрастает, т. к. вероятность вынужденного испускания пропорциональна интенсивности вынужда­ющей волны, при этом подавляется усиление волн, удаленных от вершины спектральной линии. В результате может наступить ре­жим одномодовой генерации, который характеризуется высокой степенью монохроматичности волны Δλ. Обычно у лазеров Δλ~0,01 нм. У лучших обычных источников Δλ~30 нм (ртутная лампа). В специальных лазерах достигнута монохроматичность Δλ~5*10^-7 нм. Это в сто раз меньше естественной ширины спектральной линии Δλ_ест~10^-5 нм. До лазеров естественная ширина спектральной линии считалась пределом монохроматичности, но и она была недостижима вследствие доплеровского уширения.

III. Поляризованность.

Луч лазера является плоскополяризованным светом, что обусловлено, во-первых, согласованностью плоскостей колебаний

светового вектора в вынуждающем и вынужденном фотонах.

Во-вторых, при отражении луча от пластин 3 (рис.3) выполняет­ся закон Брюстера:

tg i_бр =n₂₁,

поэтому отраженный луч является плоскополяризованным.

IV. Направленность излучения.

Она, во-первых, обусловлена тем, что фотоны испущенные не по оси резонатора, выходят из активной зоны через ее бо­ковую поверхность. Максимально же усиливаются фотоны, испущенные строго по оси. И второе: вынужденно излученные фотоны распространяются точно в том же направлении, что и вынуждающие.

Расходимость луча гелий-неонового лазера составляет около 10^-3 рад.

V. Мощность излучения.

Газовый лазер непрерывного действия ЛГН-52-3 имеет мощность 2 мВт. Импульсный лазер, например, рубиновый имеет мощность порядка МВт.

Порядок выполнения работы

Опыт 1. Наблюдение интерференции на бипризме Френеля.

Принадлежности: лазер, бипризма Френеля, расши­ритель светового пучка (линза), экран.

Бипризма представляет собой как бы две призмы с малыми преломляющими углами (примерно 30 угл.мин.), склеенные основаниями. Падающий пучок света после преломления в бипризме образует два перекрывающихся пучка, как бы исходящих из двух источников S₁ и S₂ (рис.6). В области пересечения пучков на экране будет наблюдаться интерференционная картина.

Для наблюдения интерференционной картины на скамье устанавливаются приборы согласно рис.7

*

Э

Задание: зарисуйте вид интерференционной картины.

Опыт 2 . Наблюдение дифракции света на дифракционной решетке. Определение периодов двумерной структуры.

Принадлежности: лазер, двумерная дифракционная решетка, экран.

Простая дифракционная решетка представляет собой стеклянную пластинку, на которой нанесен ряд параллельных штри­хов. Места, где прочерчены штрихи, являются практически неп­розрачными промежутками между неповрежденными частями пластинки (которые являются щелями). Таким образом, дифракционная решетка представляет собой периодическую систему щелей. Щели следуют друг от друга на определенном расстоянии d, которое называется периодом или постоянной решетки. Период d равен

d =а+b,

где а - ширина штриха, и b- ширина щели.

Поставим две дифракционные решетки одну за другой так, чтобы их штрихи были взаимно перпендикулярны. Первая решетка (штрихи которой, скажем, вертикальны) даст в горизонтальном направлении ряд максимумов освещенности, положения которых определяются условием:

d_1*sinφ₁=+m₁λ , m₁₌0,1,2,… (3)

где m₁- порядок максимума,

φ₁ - угол m - го дифракционного максимума,

λ - длина волны света,

d₁ - период первой решетки.

Вторая решетка с горизонтальными штрихами даст максимумы в вертикальном направлении, положение которых определится условием

d_2*sinφ₂=+m₂λ , m₂₌0,1,2,… (4)

В итоге дифракционная картина будет иметь вид правильно расположенных пятен, каждому из которых соответствует два целочисленных индекса m₁ и m₂

(рис. 8),

m₁ ; m₂

0, 2

•• • • • • •

0, 1

• • • • • • •

1,0

2,0

3,0

0; 0

-0,1

-0,2

-0,3

• • • • • • •m₁ ; m₂

0; -1

• • • • • • •

0; -2

• • • • • • •

Рис.8

Еcли штрихи решеток не перпендикулярны, а составляют некоторый угол 0<a <90 , то положение максимумов (светлых пя­тен) изменится. Следовательно, по расположению пятен можно судить о структуре штрихов в пространстве, т.е. о значении периодов d₁ и d₂, и взаимной ориентации решеток.

В том случае, когда структура препятствий не периодична, дифракционная

картина получится более сложной. В частности, если в пространстве беспорядочно располагаются непрозрачные частицы близкие по размерам и форме (запыленная пластина, морозные узоры на стекле), то образованная ими структура эквивалентна совокупности простых решеток всех возможных направлений, а дифракционная картина будет в виде чередую­щихся светлых и темных концентрических кругов.

Для определения периодов двумерной решетки d₁ и d₂ соби­рают установку по рис.9, где 1 - решетка, 2 - экран. Из рисунка видно, что

tg φ_m=x_m/2l Error: Reference source not found

1 2

х_m

Луч лазера

φ_m

Рис. 9

Из соотношений (3) и (4) получаем

d₁ = ± m₁ λ/ sin [arctg (x_m1 / 2)] (5)

d₂ = ± m₂ λ / sin [arctg (x_m2 / 2)] (6)

Задание: l. На миллиметровой бумаге на экране отметьте

положение дифракционных максимумов.

2. Используя формулы (5) и (6), рассчитайте периоды двумерной

решетки d₁ и d₂.

Опыт 3. Наблюдение линейной поляризации лазерного излу­чения.

Принадлежности: лазер, поляризатор, экран.

Излучение лазера является линейнополяризованным. В этом можно убедиться, пропуская лазерное излучение через поляризатор. При его вращении относительно луча лазера как оси интенсивность света через 90^o меняется от максимальной практи­чески до нуля согласно закону Малюса. Если бы луч лазера неполяризованным, то интенсивность луча при вращении поляри­затора не менялась бы.

Опыт 4. Определение угла расходимости лазерного луча.

К достоинствам излучения лазера относится высокая сте­пень коллимации (параллельности) лучей. Однако строго парал­лельные лучи получить нельзя. Этому препятствуют дифракцион­ные явления. Угол расхождения лучей принципиально не может быть меньше, λ/D, где D - ширина светового пучка, λ - длина волны излучения. В лучших газовых лазерах такой предел почти достигнут.

Угол расходимости лазерного луча можно определить сле­дующим образом:

1. Поместите экран на расстоянии около 1 м от лазера и измерьте диаметр D₁ светового пятна на экране.

2. Перенесите экран на расстояние около 3 м от лазера и вновь измерьте

диаметр D₂ светового пятна.

3. Измерьте расстояние между экранами L.

D₂

θ

θ

L

Рис.10

Как видно из рисунка 10,

θ = (D ₂ - D ₁) /L (7)

3. Рассчитайте величину угла расходимости по формуле(7 ) и оцените погрешность

измерении. Формулу для нахождения погрешности выведите самостоятельно.

Запишите результат в виде:

θ = (<θ> ± Δθ) рад.