321
.pdf
В результате поглощения света импульсных ламп ионы хрома переходят на возбужденный уровень 3. Опыт показывает, что большая часть возбужденных ионов хрома сначала отдает часть своей энергии кристаллической решетке корунда без излучения света и проходит на возбужденный уровень 2. Этому безизлучательному переходу на рисунке соответствует волнистая стрелка. Среднее время жизни ионов хрома в состоянии с энергией E2 во много раз
превышает среднее время жизни в состоянии E3 . Вследствие этого происходит накопление частиц с энергией E2 . Другими словами происходит увеличение
населенности уровня 2 и уменьшение населенности основного уровня, т.е. возникает инверсная населенность в канале 2 →1. Именно в этом канале и развивается генерация. Длина волны лазерного излучения рубина λ = 694,3нм. Наиболее распространены рубиновые лазеры, работающие в импульсном режиме, длительность импульса генерации можно изменять в пределах 10-3 - 10- 11 с. Энергия светового импульса рубинового лазера сравнительно невелика и составляет несколько джоулей. Но так как длительность импульса мала, мощность может достигать величины порядка 109 Вт.
Газовый гелий-неоновый лазер. Принципиальная схема лазера изображена на рис.7. Здесь 1-газоразрядная стеклянная трубка, диаметром несколько миллиметров и длиной от нескольких десятков сантиметров до 1,5м и более, 2- катод, накаливаемый источником питания, 3- анод, 4 и 5- зеркала резонатора. Напряжение между анодом и катодом 1-2,5 кВ, разрядный ток составляет несколько миллиампер. Давление гелия в трубке примерно равно 1 мм рт. ст., давление иона - 0,1 мм рт. ст.
Рис. 7
За генерацию лазерного излучения ответственны атомы неона Ne (рис.8). Генерация может развиваться в каналах 2 →1( λ =1150нм), 3 →1 ( λ = 632,8 нм) или 3 → 4 ( λ = 3390нм). Заселение уровней 2 и 3
происходит в результате неупругих соударений электронов плазмы с атомами неона и за счёт резонансной передачи энергии от возбуждённых атомов гелия. Гелий-неоновый лазер может работать как в импульсном, так и в непрерывном режимах. При непрерывном режиме работы мощность излучения невелика и составляет несколько милливатт.
Рис. 8
6. Лазерная установка
Внешний вид лазерной установки приведен на рис.9.
1. Гелий-неоновый лазер. В работе может использоваться один из трех типов: ЛГ-78, ЛГ-56, ЛГ-75.
2.Дифракционная решетка.
3.Шкала - экран.
4.Винт смещения нулевого деления шкалы-экрана относительно лазерного
луча.
(Лазер, решетка и шкала вставлены в держатели, которые называются рейторы, их можно перемещать по оптическому рельсу).
Внимание! При работе на установке необходимо строго соблюдать правила техники безопасности.
КАТЕГОРИЧЕСКИ ЗАПРЕЩАЕТСЯ:
1. Перемещать лазер.
2.Отсоединять разъемы токоведущего кабеля.
3.Смотреть в выходное отверстие лазера.
ПОПАДАНИЕ В ГЛАЗА ПРЯМОГО ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ОПАСНО ДЛЯ ЗРЕНИЯ!
7. Порядок проведения эксперимента и математической обработки опытных данных.
К проведению измерений следует приступать только после изучения пунктов 1- 5 данной инструкции.
1. Включить газовый лазер, используемый в данной лабораторной работе. Порядок включения лазера:
- включить тумблер "Сеть", при этом должна загореться индикаторная лампочка. Через 5-30 секунд должен появиться лазерный луч.
ВНИМАНИЕ! При отсутствии лазерного луча (лазер не работает) следует обратиться к преподавателю или лаборанту.
2. Вращением винта 4 совместить нулевое деление шкалы-экрана с центром сечения лазерного луча (рис. 10)
Рис. 10.
3.Установить на оптическую шкалу рейтор с закрепленной в нем дифракционной решеткой (острие стрелки на оправе решетки должно быть направлено к лазеру). Передвинуть решетку по скамье до совмещения указателя на основании рейтора с делением 50 мм шкалы, закрепленной на скамье. Закрепить рейтор на скамье с помощью нижнего зажимного винта.
4.Проверить и при необходимости откорректировать перпендикулярность установки шкалы-экрана к лазерному лучу. При перпендикулярной установке шкалы-экрана к лазерному лучу расположение дифракционных спектров левых и правых порядков симметрично относительно спектра нулевого порядка, т.е. расстояние от максимума первого левого порядка до максимума нулевого порядка равно расстоянию от максимума первого правого порядка до максимума нулевого порядка и т.д. (см. рис. 11)
Рис. 11.
5.Расположить дифракционную решетку на минимальном расстоянии от шкалы экрана (до соприкосновения рейторов). Зарисовать наблюдаемую дифракционную картину. Пронумеровать наблюдаемые порядки дифракционных спектров.
6.Отодвигая решетку от шкалы-экрана (расстояние между максимумом нулевого порядка и максимумами более высоких порядков при этом увеличивается), измерить расстояние L между плоскостями шкалы-экрана и
решетки при фиксированных значениях X 2 = 140,160,180,200,220 мм и X1 = 140,160,180,200,220 мм. Расстояние L измеряется по шкале, закрепленной
на оптической скамье (деление, совпадающее с указателем рейтора дифракционной решетки). Результаты измерений занести в таблицу:
№ |
X 2 |
, мм |
L , мм ϕ2средн,° |
λ , нм |
λсредн , |
∆λ , нм |
∆λсредн , |
|
измерения |
нм |
нм |
||||||
|
|
|
|
|
1140
2 |
160 |
|
|
|
|
|
|
3 |
180 |
|
|
|
|
|
|
4 |
200 |
|
|
|
|
|
|
5 |
220 |
|
|
|
|
|
|
№ |
X1, мм |
L , мм |
ϕ1средн ,° |
λ , нм |
|
∆λ , нм |
|
измерения |
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
6 |
140 |
|
|
|
|
|
|
7 |
160 |
|
|
|
|
|
|
8 |
180 |
|
|
|
|
|
|
9 |
200 |
|
|
|
|
|
|
10 |
220 |
|
|
|
|
|
|
7.После окончания измерений выключить тумблер "Сеть".
8.По формулам
|
|
5 |
X 2i |
|
5 |
X1i |
||||
|
|
|
∑ |
|
|
∑ |
||||
|
|
L |
|
L |
||||||
ϕ |
2средн |
= arctg |
i=1 |
i |
и ϕ |
= arctg |
i=1 |
i |
||
|
|
|
|
|||||||
|
5 |
|
1средн |
5 |
|
|||||
|
|
|
|
|
||||||
рассчитать средние значения углов, под которыми наблюдаются второй и первый максимум дифракции.
9.По формуле
λi = |
d |
X mi |
|
m |
X mi2 + L2i |
||
|
рассчитать длину волны лазерного излучения. Расчет провести для каждого из 10 измерений (i = 1,2,3...10 ); d - постоянная решетки, её значение приведено на
оправе решетки; m - номер максимума дифракции (в пяти случаях |
m =1, в |
||||||
других пяти m =2 ) |
|
|
|
|
|
|
|
10. |
Определить среднее арифметическое значение λсредн по 10 значениям λi . |
||||||
Рассчитать абсолютные погрешности измерения |
∆λi = |
|
λi − λсредн |
|
|
и найти |
|
|
|
||||||
среднюю абсолютную погрешность ∆λсредн . |
|
|
|
|
|
|
|
11. |
Используя полученное значение λсредн , |
рассчитать максимальное |
|||||
значение порядка дифракционного спектра mmax для данной дифракционной решетки (указание: максимальный угол дифракции ϕmax = 90° ).
12. Сравнить расчетное значение mmax с экспериментом (пункт 5).
Проанализировать полученные результаты. (Результаты совпадают? Различаются? Почему?)
13. В отчете должны быть отражены схемы, приведенные на рис. 9 и пункты 5,6,8,9,10,11,12 данного параграфа.