fizick_praktika_III

Положение главных максимумов зависит от длины волны. Как следует из формулы (4.7), синус угла отклонения про-

порционален длине волны . Следовательно, красные лучи, имеющие большую длину волны, чем фиолетовые, отклоняются дифракционной решеткой сильнее, поэтому при пропускании через решетку белого света все максимумы, кроме центрального ( n 0 ), разложатся в спектр, фиолетовая область которого будет обращена к центру дифракционной картины, красная – наружу. Это свойство дифракционной решетки используется для исследования спектрального состава света (определения длины волны и интенсивностей всех его монохроматических компонентов), т. е. дифракционная решетка может быть использована как спектральный прибор. С помощью дифракционной решетки проводятся очень точные измерения длины световых волн.

3.3. Лазеры (оптические квантовые генераторы)

Лазеры – это источники излучения, в основе действия которых лежит явление усиления света с помощью вынужденного излучения.

Лазеры генерируют свет в оптическом диапазоне (ввидимой, инфракраснойиближнейультрафиолетовойобластях).

Из квантовой механики известно, что атомы любого вещества могут находиться лишь в квантовых состояниях с дискретны-

ми значениями энергии E1 , E2 , E3 , ... Рассмотрим для простоты

какие-либо два из них. Если атом находится в основном состоянии Е1 (минимальная энергия), то под действием внешнего излучения он может перейти в возбужденное состояние Е2 (рис. 4.6, а). Если разность энергий E2 E1 равна энергии фотона внешнего

излучения, то произойдетпоглощение внешнего излучения. Вероятность подобных переходов тем выше, чем больше

плотность внешнего излучения. Через некоторый промежуток времени атом из возбужденного состояния может перейти снова в основное без каких-либо внешних воздействий (рис. 4.6, б).

71

При этом он испускает фотон с энергией h E2 E1 . Процесс

испускания возбужденным атомом фотона без внешних воздействий называется спонтанным (или самопроизвольным) излучением. Спонтанное излучение некогерентно, так как спонтанные переходы взаимно не связаны.

Если на атом, находящийся в возбужденном состоянии, действует внешнее излучение с частотой, удовлетворяющей условию

h E2 E1 , то произойдет вынужденный переход атома в основное состояние Е1 с излучением двух фотонов той же энергии h E2 E1 (рис. 4.6, в), т. е. при таком переходе происходит излу-

чение фотона, дополнительного к тому фотону, под действием которого произошло излучение. Возникающее врезультате таких переходовизлучениеназываетсявынужденнымизлучением.

Рис. 4.6. Виды лазерного излучения:

а – поглощение; б – спонтанное излучение; в – вынужденное излучение

Таким образом, результатом вынужденного излучения атома являются два фотона – первичный, который вызвал излучение, и вторичный – испущенного фотона. Существенно, что

72

вторичный фотон является точной копией первичного, т. е. они неотличимы. Вынужденное излучение, как было показано Эйнштейном и Дираком, тождественно вынуждающему излучению: оно имеет такую же частоту, поляризацию и направление распространения, т. е. вынужденное и вынуждающее излучения строго когерентны.

Если испущенные фотоны встречают на своем пути (а они движутся в одном направлении) другие возбужденные атомы, то они вызывают новые вынужденные (индуцированные) переходы, и число испущенных фотонов нарастает лавинообразно.

Однако, наряду с процессом вынужденного излучения, идет процесс поглощения. Для усиления падающего излучения необходимо, чтобы в среде число атомов, находящихся в возбужденных состояниях, было больше, чем их число в основном состоянии. Такие состояния называются состояниями с инверсией населенностей уровней, а среда в таком состоянии – активной средой. Процесс перевода среды в состояние с инверсией населенностей уровней называется накачкой. Накачку можно осуществить оптическими, электрическими и другими способами.

Любой лазер имеет три основных компонента (рис. 4.7): систему накачки 1, активную среду 2 и оптический резонатор, используемый для выделения направления лазерной генерации. В простейшем случае он представляет собой систему из двух обращенных друг к другу параллельных (или выгнутых) зеркал на общей оптической оси, между которыми находится активная среда (кристалл или кювета с газом). Обычно одно из зеркал полностью отражающее 3, а второе – полупрозрачное 4. Фотоны, которые излучаются под углом к оптической оси, выходят через боковую поверхность, а движущиеся вдоль оси многократно отражаются от зеркальных торцов, вызывая вынужденное излучение встречающихся на пути атомов. Этот процесс протекает лавинообразно. Многократно усиленный поток фотонов выходит через полупрозрачное зеркало, создавая строго направленный поток большой яркости 5. Таким образом, опти-

73

ческий резонатор формирует направленный (вдоль оси) фотонный поток, обладающий высокими когерентными свойствами.

1

5

2

Рис. 4.7. Принципиальная схема лазера:

В настоящей работе используется газовый лазер, рабочей средой которого является смесь атомов гелия и неона. Это лазер непрерывного действия. Накачка газовой среды в нем осуществляется электрическим разрядом и происходит в два этапа: гелий служит носителем энергии возбуждения, а лазерное излучение дает неон. Электроны, образующиеся вследствие электрического разряда, при столкновении возбуждают атомы гелия и переводят их в состояние 3 (рис. 4.8).

= 632,8 нм

22

1

Рис. 4.8. Механизм создания инверсной населенности лазерного перехода в гелий-неоновом лазере

74

Если возбужденные атомы гелия сталкиваются с атомами неона, то тоже переводят их на один из верхних уровней, который расположен вблизи соответствующего уровня атома гелия. Переход атома неона с верхнего уровня3 на один из нижних уровней2 приводитклазерномуизлучениюс 632,8 нм.

Лазерные источники света обладают рядом особых свойств по сравнениюсдругимиисточникамисвета:

1.Излучение лазера обладает исключительной монохроматичностью и когерентностью, т. е. все волнылазерного пучка характеризуютсяпостоянствомразностифазичастоты(длиныволны).

2.Лазеры способны создавать пучки света с очень малым уг-

ломрасхождения(около 10 5 рад), т. е. почтипараллельныелучи. 3. Лазеры являются наиболее мощными искусственными

источниками света.

В силу уникальных свойств излучения лазеров, они широко применяются во многих отраслях науки и техники, а также в быту (проигрыватели компакт-дисков, лазерные принтеры, считыватели штрих-кодов, лазерные указки и пр.). В промышленности лазеры используются для резки, сварки и пайки деталей из различных материалов. Высокая температура излучения позволяет сваривать материалы, которые невозможно сварить обычными способами (к примеру, керамику и металл). Луч лазера может быть сфокусирован в точку диаметром порядка микрона, что позволяет использовать его в микроэлектронике (так называемое лазерное скрайбирование). Лазеры используются для получения поверхностных покрытий материалов (лазерное легирование, лазерная наплавка, вакуумно-лазерное напыление) с целью повышения их износостойкости. Некоторые лазеры, например лазеры на красителях, способны генерировать монохроматический свет практически любой длины волны, при этом импульсы излучения могут достигать 10 16 с, а следовательно, и огромных мощностей (так называемые гигантские импульсы). Эти свойства используются в спектроскопии, а также при изучении нелинейных оптических эффектов.

75

Широкое применение лазеры нашли в медицине.

В настоящее время рассматриваются возможности осуществления с помощью лазеров управляемого термоядерного синтеза. Лазерное излучение с каждым годом получает все большее применение.

Вариант 1

4.ИЗУЧЕНИЕ ДИФРАКЦИИ СВЕТА

4.1.Описание рабочей установки

Установка, на которой выполняется задание, включает в себя (рис. 4.9): 1 – оптическую скамью, снабженную измерительной линейкой; 2 – газовый лазер, который закреплен неподвижно; 3 – коллиматор (держатель, в который помещают экран

свертикальной щелью или дифракционную решетку); 4 – экран

сгоризонтально расположенной миллиметровой шкалой.

1

Рис. 4.9. Схема экспериментальной установки

4.2. Изучение дифракции монохроматического света на одной щели

В данной лабораторной работе изучается дифракция Фраунгофера, получающаяся при прохождении пучка монохроматического света через узкую щель. В ходе эксперимента исследуется дифракционная картина, определяется пространственное положение дифракционных максимумов, а также анализируется зависимость расстояния дифракционного максимума до середины щели от его порядкового номера.

76

1.Соберитеустановкупосхеме, изображеннойнарис. 4.9.

2.Включите лазер.

3.Установите на пути лазерного луча держатель щели так, чтобы плоскость экрана была перпендикулярна лучу.

4.Получите на экране дифракционную картину. Добейтесь наибольшей четкости картины смещением щели вдоль луча. Опишите, как влияет такое смещение щели на дифракционную картину (кроме изменения четкости изображения).

5.Проведите качественные наблюдения дифракционной картины, изменяя ширину щели. В частности, установите, появляются ли новые максимумы или происходит перераспределение интенсивности в дифракционной картине, изменяется ли расстояние между максимумами? Опишите отмеченные изменения дифракционной картины.

6.Сместите щель в боковом направлении на некоторое расстояние. Приводит ли сдвиг щели к сдвигу дифракционной картины? Объясните это явление.

7.Для заданной ширины a щели, при которой формирует-

ся четкая дифракционная картина, определите расстояние xn от

середины дифракционной картины до первого, второго, третьего и т. д. максимумов. Для этого измерьте расстояние xn между

главными максимумами (левым и правым) первого, второго, третьего и т. д. порядков. Каждое измерение повторите 3 раза. Результаты занесите в табл. 4.1.

Таблица 4.1

8. Изобразите полученные результаты на графике, откладывая по оси абсцисс порядок n максимума, а по оси ординат –

его расстояние xn от середины дифракционной картины. Прокомментируйте полученную зависимость.

77

4.3. Изучение дифракции монохроматического света на дифракционной решетке

Вданной работе изучается дифракция Фраунгофера на дифракционной решетке с различным числом параллельных щелей

вмонохроматическом свете. В ходе эксперимента проводится наблюдение за изменением дифракционной картины при увеличении количества щелей в дифракционной решетке.

1. Соберите установку по схеме, изображенной на рис. 4.9, заменив экран с одной вертикальной щелью 3 на дифракционную решетку с двумя щелями, затем с четырьмя щелями и т. д.

2. Для каждой дифракционной решетки получите на экране

4 четкую дифракционную картину.

3. По мере увеличения количества щелей опишите изменения, которые происходят с дифракционной картиной, наблюдаемой на экране. При описании особое внимание обратите на то, как увеличение числа щелей влияет: а) на местоположение главных максимумов; б) расстояние между главными максимумами; в) интенсивность максимумов.

4.4.Изучение дифракции немонохроматического света на дифракционной решетке

Входе эксперимента исследуется дифракционный спектр немонохроматического источника света, определяется период дифракционной решетки.

1. Соберите установку по схеме, изображенной на рис. 4.9. Однако вместо лазера 2 установите другой источник света (например, лампу), а вместо экрана с одной вертикальной щелью 3 – дифракционную решетку.

2. Получите на экране дифракционную картину. Добейтесь наибольшей четкости картины, изменяя расстояние между источником и коллиматором, коллиматором и решеткой.

2. Измерьте расстояние L от плоскости дифракционной решетки до экрана. Результат измерений занесите в табл. 4.2.

78

Используя рабочую формулу (4.10), рассчитайте постоянную di для каждого цвета спектра в дифракционной картине.

Результаты расчета занесите в табл. 4.2. Сравните полученные значения di и сделайте вывод.

Вариант 2

5.ИЗУЧЕНИЕ ДИФРАКЦИИ ФРАУНГОФЕРА НА ЩЕЛИ

Вданной лабораторной работе на экране компьютера моделируется дифракция Фраунгофера на одной щели. Кадр из работы приведен на рис. 4.10. Виртуальные частицы дифрагируют на щели под разными углами, строится распределение (гистограмма) фотонов по углам, причем высота соответствующей ступеньки гистограммы пропорциональна числу фотонов, рассеявшихся на щели под данным углом. Ширину щели можно менять, при этом будут наблюдаться разные дифракционные картины. В ходе эксперимента исследуются дифракционные картины, и по положению максимумов и минимумов дифракции определяется отношение ширины щели к длине волны света.

Рис. 4.10. Внешний вид окна лабораторной работы

80