Здесь можно найти учебные материалы, которые помогут вам в написании курсовых работ, дипломов, контрольных работ и рефератов. Так же вы мажете самостоятельно повысить уникальность своей работы для прохождения проверки на плагиат всего за несколько минут.
Предлагаем нашим посетителям воспользоваться бесплатным программным обеспечением «StudentHelp», которое позволит вам всего за несколько минут, выполнить повышение оригинальности любого файла в формате MS Word. После такого повышения оригинальности, ваша работа легко пройдете проверку в системах антиплагиат вуз, antiplagiat.ru, РУКОНТЕКСТ, etxt.ru. Программа «StudentHelp» работает по уникальной технологии так, что на внешний вид, файл с повышенной оригинальностью не отличается от исходного.
Работа № 127091
Наименование:
Лабораторная работа ИЗУЧЕНИЕ ИНТЕРФЕРЕНЦИИ И ДИФРАКЦИИ СВЕТА С ПОМОЩЬЮ ГАЗОВОГО ЛАЗЕРА
Информация:
Тип работы: Лабораторная работа.
Предмет: Физика.
Добавлен: 12.07.2021.
Год: 2021.
Страниц: 9.
Уникальность по antiplagiat.ru: < 30%
Описание (план):
ИЗУЧЕНИЕ ИНТЕРФЕРЕНЦИИ И ДИФРАКЦИИ СВЕТА С ПОМОЩЬЮ ГАЗОВОГО ЛАЗЕРА. Физические принципы,лежащие в основе работы оптических квантовых генераторов. Лазер (оптический квантовый генератор - ОКГ представляет собой устройство, основными элементами которого является активная среда (1) и два зеркала (2),между которыми помещается эта среда (рис. 1).
В качестве активной среды в твёрдотельных лазерах,как правило, используются рубин (кристалл окиси алюминия Аl2O3 , в который при его выращивании введена окись хрома Cr2O3) и неодимовое стекло, а в газовых лазерах - аргон, гелий - неоновая смесь, двуокись углерода. В последнее время широкое распространение получили жидкостные лазеры, в которых активной средой являются растворы красителей. Излучение лазера обладает особыми свойствами. Для него характерны: 1. Монохроматичность (когерентность во времени) мощного излучения. 2. Пространственная когерентность светового потока. 3. Острая угловая направленность излучаемого лазером светового пучка. Если атому активной среды,находящемуся на основном энергетическом уровне Е1(рис.2) сообщить определённое количество энергии,то он может перейти на один из возбуждённых уровней с энергией Ек.
Возбуждённый атом может самопроизвольно (спонтанно) перейти на один из нижележащих уровней, излучив при этом определённую порцию энергии в виде кванта света (фотона). Если излучение света происходит при переходе атома с уровня энергии Em на уровень, обладающий энергией ?n ,т? частота испускаемого (или поглощаемого) кванта света. ?mn=(Em-En)/h, (1) где h - постоянная Планка. Если испускание света атомами происходит спонтанно,то кванты света в виде волновых цугов испускаются атомами независимо друг от друга, т.е. они "не согласованы" друг с другом во времени и, следовательно, имеют различную фазу. Поэтому спонтанное излучение некогерентно. Наряду со спонтанным излучением возбуждённого атома существует вынужденное (или индуцированное) излучение: атомы излучают под действием внешнего быстропеременного электромагнитного поля, например, световой волны. Оказывается, что при индуцированном излучении его частота, поляризация, направление распространения и фаза полностью совпадают с характеристиками внешней волны, действующей на атом. Это явление даёт возможность управлять излучением атомов и таким образом усиливать и генерировать когерентный свет. Но, чтобы осуществить генерацию света практически, необходимы определённые условия. 1. Необходим резонанс - совпадение частоты падающего света и одной из частот энергетического спектра атома. Об этом позаботилась сама природа, энергетические спектры одинаковых атомов абсолютно идентичны. Поэтому свет, испускаемый одним ато-мом, может индуцировать излучение другого атома,вследствие чего вынужденное излучение возбуждённых атомов порождает целую лавину фотонов, во всём подобных первичному фотону. Но для создания лавины фотонов необходимо в данный момент наличие дос-таточного количества атомов на возбуждённых уровнях. Отсюда вытекает второе условие. 2. Второе условие связано с населённостью различных энергетических уровней. Число атомов N, обладающих энергией ?, называется населённостью уровня. Для возникновения генерации необходимо, чтобы заселённость верхнего уровня Nm была больше· заселённости нижнего уровня Nn . В естественных условиях для любого вещества, cколь угодно сильно нагретого, Nm ‹ Nn . Поэтому это вещество не будет генерировать свет за cчёт вынужденного перехода, т.к. число переходов с поглощением будет больше числа пе-реходов с испусканием. Коэффициент поглощения, фигурирующий в законе Бугера, для двухуровневой системы с учётом некоторых приближений можно представить в виде ?=?*(Nn-Nm), где ? - коэффициент пропорциональности. Если ?›0 , то в этом случае при распространении света в среде интенсивность света будет изменяться по закону Бугера J=J0*exp(-?*l) ,где l - длина поглощённого слоя. Для того, чтобы происходило усиление или генерация света, необходимо, чтобы коэффициент поглощения был отрицательным, что возможно при Nm ›Nn. Поэтому для возбуждения генерации света необходимо, чтобы из двух выбранных уровней верхний был заселён больше,чем нижний. Как правило, это условие реализуется, если верхний уровень будет метастабильным, т.е. долгоживущим. Обеднение его за счёт спонтанных переходов будет значительно меньше, чем любых других уровней, что связано с равным временем жизни атомов на них (для метастабильного ?~10-3 с, для остальных ~ 10-8 - 10-9 с). Состояние рабочего вещества лазера, в котором Nm ›Nn называется активным, или состоянием с инверсией (обращением) населённостей. Таким образом, для возбуждения генерации когерентного света необходима инверсия населённостей для пары уровней, переход между которыми соответствует частоте генерации. Инверсная населённость может быть создана оптической накачкой мощными ксеноновыми лампами (в твёрдотельных ОКГ) или электрическим током (в газовых ОКГ). 3. Третье условие работы лазера - обратная связь между излучаемым потоком и вынужденным излучением атомов рабочего вещества, которая осуществляется при помощи зеркал. В простейшем случае активная среда помещается между двумя зеркалами,одно из которых частично прозрачно для генерируемого света, второе же делается полностью отражающим. Испущенная в результате спонтанного перехода атома световая волна усиливается за счёт вынужденного испускания при распространении её через рабочее вещество. Дойдя до зеркала, свет отразится и снова пройдёт через активную среду, усиливая генерацию света, а затем отразится от другого зеркала и т.д. Часть света, падающего на полупрозрачное зеркало, пройдёт через него. Эта часть световой энергии излучается лазером и может быть использована. 4. Четвёртым условием, необходимым для возникновения генерации света, являются требования, налагаемые на рабочее вещество и коэффициенты отражения зеркал. Усиление света в активном рабочем веществе и коэффициенты отражения зеркал должны быть такими, чтобы при одном проходе между зеркалами на полупрозрачное зеркало вернулась световая энергия не меньше, чем в предыдущем случае. Только тогда световая энергия начнёт нарастать от прохода к проходу, в противном случае генерации не будет. При выполнении этих условий получается система, способная генерировать свет и называемая лазером или оптическим квантовым генератором. Твёрдотельные ОКГ работают обычно в импульсном режиме и характеризуются очень большой мощностью (при импульсах длительностью ~ 10-8 с мощность в импульсе достигает более 100 МВт). Газовые ОКГ используют чаще всего в непрерывном режиме. Наибольшее распространение из них получил гелий-неоновый лазер. Устройство и принцип работы гелий-неонового лазера. В гелий-неоновом лазере рабочим веществом является неон (Ne). Примесь гелия увеличивает инверсию населённостей уровней атомов неона. В электрическом разряде часть атомов Ne переходит с основного Е1 уровня на долгоживущие возбуждённые уровни Е5 и Е4 (рис. 3). Инверсия населённостей создаётся большей заселённостью Е5 и Е4 по сравнению с короткоживущим уровнем Е3.
Однако, в чистом неоне созданию инверсии населенностей мешает метастабильный уровень ?2, на котором атом может находиться сравнительно долго и населённость которого поэтому велика. Наличие долгоживущего метастабильного уровня Е2 пре-пятствует образовании инверсии населённостей, т.к. часть атомов, находящихся на уровне ?2 легко переходит на уровень Е3 . Уровень Е2 является как бы "резервуаром", питающим уровень Е3 . Эта трудность преодолевается введением в Ne примеси гелия ( Не ). Энергия двух возбуждённых долгоживущих уровней Е2 и Е3 атомов гелия (рис. 3) совпадает о энергиями уровней Е5 и Е4 атомов неона. Поэтому при столкновениях возбужденных атомов гелия с невозбуждёнными атомами неона возможна резонансная передача энергии возбуждения, в результате которой атомы неона окажутся в возбуждённых состояниях Е4 и Е5 , а атомы гелия - в основном. Таким образом происходит дополнительное заселение уровней Е4 и Е5 атомов неона. Если правильно подобрать порциальные давления Ne и Не в смеси, то можно получить инверсию населённостей между уровнями Е4 , Е5 и уровнем ?3 атомов неона. Частота перехода между уровнем Е5 и Е3 расположена в видимой области спектра, а частота Е4 ›Е3 перехода в инфракрасной области. Основным элементом гелий-неонового лазера является разрядная трубка 1 (рис.4). Трубка, имеющая накаливаемый катод 2 и анод 3, наполнена смесью гелия
и неона с порциальными давлениями соответственно 1 и 0,1 мм рт. ст. Во время работы лазера ток разряда может быть порядка 30 МА при падении анодного напряже-ния на трубке около 1,5 кВ. Газоразрядная трубка для осуществления обратной связи помещена между зеркалами 4 и 5, которые образуют так называемый резонатор (резонатор Фабри-Перо). Зеркала резонатора обладают большими коэффициентами отражения (98-99%). Зеркало 4 - сферическое, с коэффициентом пропускания света около 0,1%, зеркало 5 - плоское, с коэффициентом пропускания ~ 2 %. В работе используется световой поток, прошедший через зеркало 5. Разрядная трубка 1 (рис.4) замкнута с торцов плоскопараллельными стеклянными пластинками 6 (окнами), расположенными под брюстеровским углом к оси трубки. Поэтому излучение неона, выходящее через окна, является линейно поляризованным, а электрический вектор расположен в плоскости падения. Зеркало 4 вогнутое сферическое, причём центр кривизны зеркала лежит на поверхности зеркала 5. Зеркала юстируются микрометрическими винтами. Юстировка зеркал обеспечивает направленность светового индуцированного излучения вдоль оси разрядной трубки. Минимальная угловая ширина лазерного светового пучка определяется дифракцией, связанной с ограничением конечного сечения пучка. Газовые лазеры широко используются для юстировки сложных оптических систем, состоящих из многих элементов, а также для решения различных прикладных и технических задач. Теория метода. В случае нормального падения света на дифракционную решётку с шириной прозрачных участков b и непрозрачных a направления на главные дифракционные максимумы определяется равенством (a+b)*sin(?)=d*sin(? =n*? (2) Отсюда, ?=(d*sin(?))/n. (3) где ? - угол дифракции, ?- длина световой волны, n - порядок спектра ( |n|=0,1,2,3... ), a+b=d - период решётки. В работе иcпользуется решётка о периодом d =0,01 мм. Ввиду монохроматичности излучения лазера можно наблюдать на экране множество дифракционных спектров положительных и отрицательных порядков в виде ряда красных полосок, так как в спектре излучения He-Ne лазера имеется только одна красная линия в видимой области спектра. Монохроматический световой пучок, излучаемый лазером, даёт возможность непосредственно наблюдать дифракцию света на круглых частицах. Для того, чтобы углы дифракции были значительными, размер частиц должен быть сравнительно малым. Однако, если поместить в световой пучок одну малую круглую частицу, то даваемую ею на удалённом экране дифракционную картину наблюдать будет трудно, т.к. дифракционные максимумы будут мало интенсивны. Если же в плоскости поперечного сечения узкого светового пучка будут расположены совершенно хаотично одинаковые круглые частицы, то в силу равной вероятности всех значений фаз дифрагированных по каждому направлению волн складываться будут интенсивности световых пучков, дифрагировавших на разных частицах. Дифракционная картина от N частиц усилится по интенсивности в N раз по сравнению с дифракционной картиной от отдельных частиц, но не изменит своей структуры. При освещении частиц пучком лазерного света на экране можно наблюдать систему концентрических колец (тёмных и светлых), окружающих светлый круг. Угловые радиусы ? тёмных колец определяются условиями: sin?1=0,61*?/r ; sin?3=1,11* ?/r (4) sin?5=1,65* ?/r где r - радиус частицы, вызвавшей дифракцию света c длиной волны ?. Угловые радиусы светлых колец определятся из соотношений: sin?2=0,82*?/r ; sin?4=1,34* ?/r (5) Причём, нумерация колец начинается c первого тёмного кольца, окружающего центральное светлое пятно. Высокая степень монохроматичности излучения лазера позволяет с его помощью осуществить наблюдение интерференционных полос равного наклона, представляющих собой разновидность локализованной интерференционной картины в тонких плоскопараллельных прозрачных слоях. Если рассеянный световой лучок падает на плоскопараллельную пластинку, то для любых двух когерентных интерферирующих лучей, разность хода ? будет зависеть от угла падения луча на пластину i (или же связанного с ним угла преломления r) (рис. 5). ?=2*h*n*cos(r)±?/2=2* * ±?/2. (6)
Геометрическим местом точек, параллельных интерферирующих лучей, падающих с разных сторон на поверхность пластины под одним и тем же углом i и собранных линзой на экране в её фокальной плоскости будет окружность, а вся картина предстанет в виде системы концентрических колец с центром в точке с i=0. Если на пути лазерного луча поместить матовое cтекло 2, а за ним плоскопараллельную пластинку 1, т? на экране 3 (рис. 6) получится интерференционная картина в виде тёмных и светлых полос, пред-ставляющих собой части окружностей большого радиуса.
Расстояние между соседними полосами интерференции X и толщина h связаны следующим соотношением: h=(?*L* )/(X*sin(2*i)), (7)
где ? - длина волны лазерного излучения, L - расстояние между пластинкой и экраном, n - показатель преломления материала пластинки, i - угол падения лучей на неё. Показатель преломления слюды n=1,59. Описание установки. Схема экспериментальной установки представлена на рисунке 7. На общем оптическом рельсе расположены газовый лазер 3, экран 2 и металлический столик 1. Ha металлический столик устанавливаются различные типы препятствий, взаимодействие лазерного излучения с которыми изучается в данной работе.
Источником когерентного излучения в настоящей работе служит газовый гелий-неоновый лазер непрерывного действия. В качестве исследуемых объектов в работе используются: дифракционные решётки с известным и неизвестным периодами, плоскопараллельные слюдяные пластинки различной толщины, пластинки с лейкоподием, а также системы проволочек и стеклянных трубок разного диаметра... 1. Ландсберг Г.С. Оптика - ?.: Наука, 1976,с 198-206, 225-227,791-794. 2. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Оптика - M.: Наука, 1980, с. 218-235, 302-312, 384-397, 722-725. 3. Физический практикум. Электричество и оптика (Под ред. Ивероновой В.И.) - М.: Наука, 1976, с. 767-793.
* Примечание. Уникальность работы указана на дату публикации, текущее значение может отличаться от указанного.
