Лазеры

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДЛИНЫ ВОЛНЫ ИЗЛУЧЕНИЯ  ГАЗОВОГО ЛАЗЕРА

С ПОМОЩЬЮ  ДИФРАКЦИОННОЙ РЕШЕТКИ

     ЦЕЛЬ  РАБОТЫ. Ознакомиться с принципом действия газового лазера. Доказать волновую природу света. Научиться определять длину волны лазерного излучения с помощью дифракционной решетки.

     ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ: газовый лазер, оптическая скамья, дифракционная решетка. экран со шкалой.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ . ЧАСТЬ.

     ЛАЗЕРЫ - это квантовые генераторы излучения, работающие в оптическом диапазоне (ОКГ). Рассмотрим принцип их действия».

     Как известно при взаимодействии излучения с веществом атом может поглотить фотон и перейти в возбужденное состояние, характеризуемое большой внутренней энергией. Это состояние является нестабильным. Обычно время жизни атома в этом состоянии 10^-8с. Атом, находящийся в возбужденном состоянии в какой то момент времени самопроизвольно или, как говорят, спонтанно может перейти в состояние с меньшей энергией с излучением фотона.( см.рис. I). Такое излучение называется спонтанным. Спонтанное излучение носит случайный характер. Поэтому это излучение изотропно ( не имеет преимущественного направления), некогерентно (кванты, испускаемые разными атомами, имеют разные фазы), и немонохроматично (состоит из набора различных частот). Такое излучение дают, например, лампы накаливания и газоразрядные лампы

     Переход атома из возбужденного  состояния в менее возбужденное возможен также под действием падающего фотона, если энергия его равна энергии этого перехода. При этом излучается два фотона: падающий и фотон, образовавшийся в результате перехода атома из возбужденного состояния в менее возбужденное (см. рис. 2). Падающий фотон в данном случае индуцирует (вынуждает, стимулирует) процесс перехода атома в менее возбужденное состояние. Поэтому излучение, образующееся таким образом называется индуцированным (вынужденным, стимулированным) .

    Индуцированное  излучение возбужденного атома  может происходить не только под  действием постороннего фотона, но и фотона, полученного в результате индуцированного излучения. При наличии достаточного количества возбужденных атомов это приведет к лавинообразному нарастанию излучения (см. рис.3).

Основным  свойством индуцированного излучения       является его когерентность монохроматичность  и направленность. Это обусловлено  так, что падающие и индуцированные кванты имеют одинаковые параметры: частоту, фазу, импульс и поляризацию. Индуцированное излучение является процессом, составляющим физическую основу работы ОКГ.

    Вероятность индуцированных переходов тем больше, чем больше падающих квантов и  чем больше число возбужденных атомов.

    В естественных условиях по распределению  Больцмана в веществе число частиц в возбужденном состоянии всегда меньше, чем в менее возбужденном, т.е. населенность верхних энергетических уровней меньше, чем нижних. Для  получения усиления излучения за счет индуцированных переходов необходимо, чтобы хотя бы для двух энергетических состояний атома было нарушено больцмановское распределение и населенность верхнего энергетического уровня оказалось бы больше, чем какого-либо нижнего (инверсная заселенность уровней), т.е. число возбужденных атомов оказалось бы больше чем невозбужденных» Такое распределение наблюдается для некоторых веществ, имеет энергетические уровни, спонтанней переход о которых на менее возбужденный, или основной уровень маловероятен. Время жизни атомов в такое состоянии велико (до 10^-3с.). Такое уровни называется мета-стабильны, у и в процессе возбужденных на них может накапливается значительное количество возбужденных атомов и создаваться инверсная заселенность. Такие вещество активную (рабочую) среду ОКГ.

      Состояние инверсной населенностью  можно создать, отбирая соответствующие  частицы (метод сортировки) или  специально возбуждая частицы,  например, светом (метод оптической накачки) или электрическим разрядом (метод электрической накачки).

       Чтобы увеличить мощность индуцированного  излучения в OKГ применяется резонатор. Он представляет собой систему обращенных друг к другу отражающих поверхностей, между которыми располагается активное (рабочее) вещество генератора. Отражающие поверхности

    резонатора могут представлять собой зеркала различной формы (плоские сферические, параболическое). Излучение, отражаясь от поверхностей резонатора, многократно проходит через инверсную среду, каждый раз вызывая усиление  и достигнув определенной мощности, вызывается наружу в через полу отражающее окно, имеющееся  на одной из отражающих.

     В настоящее время в качестве рабочих веществ в лазерах используются самые различные материалы: кристаллы, активированные стекла, пластмассы, газы, жидкости и полупроводники. В данной лабораторной работе используется гелий - неоновый лазер, дающий излучение в красной области спектра. Он состоит из кварцевой трубки Т, наполненной смесью газов: гелия(под давлением I мм рт.ст.) и неона(0,1 мм рт.ст.). По концам трубки расположены зеркала 3 (плоскопараллэльные или сферические), одно из которых полупрозрачное. Газовой разряд создается с помощью электродов, устало вливаемых снаружи трубки или вмонтированных в нее (рис. 4).

При электрическом разряде в результате

соударения с электронами атомы неона возбуждаются и переходят из основного уровня Е₀ на метастабильный уровень E₂ (рис. 5). Из-за наличия других глета стабильных уровней в чистом неоне трудно создать инверсную заселенность на уровне E₂ относительно, уровня-Е₁. (вынужденный переход с уровня E₂ на Е₁ сопровождается излучением в красной области спектра). Это затруднение устраняется при помощи атомов гелия. Под действием электрического разряда атомы гелия возбуждаются и переходят из основного уровня на мета стабильный, энергия которого близка к энергии уровня E₂ неона. В процессе и неупругого соударения атомы гелия передают энергию

    E₂ атомам неона, которые возбуждаясь переходят на уровень о энергией Е₂. Опустошенно уровня E₁ (т.е. уменьшение его заселенности) происходит при соударении атомов неона со стенками газоразрядной трубки.

 в итоге атомы гелия способствуют созданию стационарной инверсной населенности уровня E₂ относительно E₁ для атомов неона. Таким образом в этом лазере атомы неона являются рабочими, а гелия вспомогательными. Газовые лазеры являются лазерами непрерывного действия.

      Основные  свойства лазерного излучения: когерентность, высокая монохроматичность, направленность и большая плотность энергии, обусловливают его широкое применение в различных областях науки и техники.

       Воздействие лазерного излучения  на различные вещества вызывает локальное выделение тепла и резкое повышение температуры, сопровождающееся изменением состояния вещества (плавление,испарение), образованием ударных волн, интенсивным теплообмена.

       Это особенности и возможность концентрации лазерного излучения в очень тонкий луч (~микрона), несущий колосальную энергию, а также селективность (избирательность) поглощения, обуславливают его широкое применение в медицине.

       Лазерный луч применяется в хирургии для бескровного разреза тканей, т.к. при этом сваривает края ткани и этим предупреждает капиллярное кровотечение. в анкологии применяется для разрушения раковых клеток (т.к. лазерный луч сильно поглощается ими).

       В офтальмологии лазерный луч используется для "приваривания" отслоившейся сетчатки, а также при глаукоме для образования микроскопического отверстия в оклере для оттока внутриглазной жидкости. В дерматологии излучение газового лазера применяется о терапевтической целью. Учитывая особенности воздействия лазерного излучения на биологические ткани, при работе с ним необходимо предотвращать попадание луча (даже отраженного от предметов) на экспериментаторов.В данной лабораторной работе для определения длины волны лазерного излучения применяется дифракционная решетка, которая представляет собой совокупность большого числа одинаковых, отстоящих друг от друга на одно и тоже расстояние щелей. Она изготавливается в виде стеклянной пластинки, на который при при помощи аппарата заносится необходимое количество параллельных штрихов. Они затираются черной краской. Полосы между штрихами прозрачны для света и служат щелями решетки. Расстояние d между срединами соседних щелей называется периодом или постоянной решетки. По принципу Гюгеноа-Френеля каждая щель является источником когерентных вторичных волн, способных интерферировать друг с другом. Если на дифракционную решетку падает   пучёк параллельных лучей монохроматического света, то на экране Э, расположенном в фокальной плоскости линзы Л, будет наблюдаться система дифракционных максимумов и минимумов, полученных в результате интерференции света от различных щелей. (рис. 6).

    Усилений и ослабление света  от разности хода лучей идущих от соответствующих точек различных щелей. Если разность хода АС кратна целому числу длин волн, то на экране в результате интерференции возникнут главные максимумы:

→  d*sin

   = n*

   n - порядок главного максимума:

   γ - угол дифракции лучей

    В направлении γ -0 наблюдается нулевой максимум (n=0)

    главные максимумы располагаются симметрично относительно нулевого максимума. Положение главных максимумов зависят от длины волны  λ.

    Поэтому при пропускании через решетку немонохроматического света, все максимумы, кроме нулевого, разложатся в спектр, фиолетовый конец которого располагается со стороны нулевого максимума. При использовании в качество источника излучения гелий-неонового лазера на экране образуется ряд дифракционных максимумов, окрашенных в красный цвет, так как данный лазер излучает свет соответствующий красной области спектра.

     ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ.

     Экспериментальная установка состоит из оптической скамьи, на которой установлены дифракционная решетка и экран со шкалой. Лазер устанавливается вдоль оси оптической скамы так, чтобы луч был перпендикулярен дифракционной решетки. При этом интерференционные максимумы будет  расположены симметрично относительно этой оси.

           Длину волны излучения можно определить из формулы (I) :

     Угол  дифракции  γ находятся из следующего соотношения (рис. 7):

     

     где   l  -  расстояния между дифракционной решеткой и экраном.

       Х_n - расстояние между серединами максимумов соответствующих порядков.

     ЗАДАНИЕ № 1.

     1. Установите на оптической скамье экран и дифракционную решетку так чтобы штрихи решетки били вертикальными. Тогда дифракционные максимумы образуются в горизонтальном направлении.

     2. Расположите экран и дифракционную решетку перпендикулярно оси лазера. После этого преподаватель включит лазер.

3. Перемещая экран вдоль оптической скамьи, получите на нем четкое изображение дифракционной картины (должны быть видны максимумы не менее четырех порядков).
4. Измерьте по шкале, укрепленной на оптической скамье, расстояние между решеткой и экраном.

     5. Последовательно измерьте расстояния между серединами максимумов соответствующих порядков. Полученные данные занесите в таблицу.

     6. Определите значения sinφλ и λ_ср учитывая, что d =0,01 мм,

     и занесите в таблицу I.

     7. Определите значения абсолютных погрешностей каждого измерения (∆λ), среднего арифметического значения абсолютной погрешности (∆λ_ср) и  относительной погрешности измерения (Д_λ).

ТАБЛИЦА 1.

 

обработка результатов измерений  с помощью программного микрокалькулятора "электроника мк-56"

I.  Расчет tgφ и sin⁡φ длины волны излучения λ

Для этого:

1. Включите микрокалькулятор (МК)

2. Нажмите на клавиши [F] [ПРГ]

(При этом осуществляется переход в режим . "Программирование")

3. Введите программу, представленную в таблице № 2, в память МК. Для этого следует последовательно нажимать на клавиши МК согласно командам программы.

4. После окончания ввода программы, необходимо перейти в режим "Автоматическая работа". Для этого необходимо нажать на клавиши [F] [ABT]

5. Введете в регистр памяти значение постоянной дифракционной решетки ( d =0,01 мм) нажатием клавиш [O] [.] [0] [1] [X→П] [0]

6. Нажмите на клавишу [B/o]

7.    Нажмите на клавишу цифры соответствующей: