11450

ВИВЧЕННЯ БУДОВИ, ПРИНЦИПУ ДІЇ ТА ВИКОРИСТАННЯ ЛАЗЕРІВ

Лабораторная работа

Физика

Лабораторна робота №4 ВИВЧЕННЯ БУДОВИ ПРИНЦИПУ ДІЇТА ВИКОРИСТАННЯ ЛАЗЕРІВ Мета роботи: вивчення принципу роботи і визначення довжини хвилі випромінювання газового лазера. Прилади та обладнання: лазер ЛГ209 дифракційна решітка лінійка міліметровий папір. Тео

Украинкский

2013-04-08

226.5 KB

26 чел.

Лабораторна робота №4

ВИВЧЕННЯ БУДОВИ, ПРИНЦИПУ ДІЇ
ТА ВИКОРИСТАННЯ ЛАЗЕРІВ

Мета роботи: вивчення принципу роботи і визначення довжини хвилі випромінювання газового лазера.

Прилади та обладнання: лазер ЛГ-209, дифракційна решітка,  лінійка, міліметровий папір.

Теоретичні відомості

В п’ятидесятих роках нашого століття почався бурхливий розвиток нової науки – квантової електроніки. Ідеї цієї науки були основані на явищі вимушеного випромінювання, передбаченого в 1916 році А.Ейнштейном і експериментально виявленого майже чверть віку тому в 1939 році радянським фізиком В.А.Фабрикантом. В подальшому (1939-1940 рр.) В.А.Фабрикант вперше сформулював принцип підсилення світла за допомогою вимушеного випромінювання. Практичне здійснення цього принципу було вперше запропоноване в 1953 р. радянськими фізиками Н.Г.Басовим і А.М.Прохоровим і незалежно від них американським вченим Таунсом (Нобелівська премія за ці роботи присуджена їм в 1964р.)

Перший генератор і підсилювач електромагнітних хвиль працював у діапазоні мікрохвиль (сантиметрові хвилі). У 1960 р. Мейман (США) створив генератор оптичного діапазону – оптичний квантовий генератор (ОКГ). Перший був названий мазером, другий – лазером від абревіатур MАSER (LASER) на основі виразів «microwave (light) amplification by stimulated emission of radiation», що означає мікрохвильове підсилення за допомогою вимушеного випромінювання.

Розглянемо спочатку, що таке вимушене випромінювання і які властивості воно має. Якщо квантово-механічна система, наприклад, атом речовини, підпадає під дію зовнішнього випромінювання, то відбуваються переходи цього атома з одного енергетичного рівня на інший. Причому зовнішнє випромінювання викликає не тільки переходи з нижчих рівнів на верхні, які супроводжуються поглинанням енергії (рис. 1, а), але і переходи з верхніх рівнів на нижні, під час яких енергія, навпаки, випромінюється (рис.1, б). Таке випромінювання називається вимушеним або
індукованим.

На відміну від нього, існує спонтанне (мимовільне) випромінювання, коли система переходить з більш високого на нижчий енергетичний рівень з випромінюванням енергії (рис. 2).

При яких же умовах відбувається вимушене випромінювання?

Розглянемо квантову систему атомів, яка має лише два енергетичні рівні Е1 і Е2 (рис. 3), причому Е2 > Е1. Нехай заселеність цих рівнів, тобто кількість атомів на рівнях, буде відповідно, n1 і n2. В умовах теплової рівноваги заселеність верхнього рівня завжди менше заселеності нижчого (n1 > n2) і описується законом Больцмана

,  (1)

де с – постійна; k – постійна Больцмана; Т – температура.

Звідси маємо

.     (2)

Тоді квантові переходи з Е1 на Е2 і навпаки зручно формально описувати температурою Т, вираз для якої отримується логарифмуванням виразу (2), тобто

.     (3)

Так як Е2Е1 > 0 завжди, то:

а) для рівноважного стану, коли n1 > n2, Т > 0 (термодинамічна температура додатня) і під дією зовнішнього випромінювання система тільки поглинає енергію;

б) для того, щоб індуковане випромінювання переважало над поглинанням, необхідно порушити теплову рівновагу системи, шляхом заселення верхніх рівнів більш щільно, ніж нижчих, тобто створити інверсне заселення, коли n1 < n2. Тоді, оскільки Е2 Е1 > 0, з (3) виходить, що Т < 0.

Таким чином, індуковане (вимушене) випромінювання відбувається при від’єних абсолютних температурах.

Практично такий стан можна створити шляхом швидкого надання енергії системі атомів так, як це показано на рис. 4.

Вимушене випромінювання відбувається тільки у випадку, зображеному на рис. 4, г).

Вираз «від’ємна абсолютна температура» не суперечить трєтьому началу термодинаміки, яке стверджує, що абсолютного нуля температури досягнути неможливо. Поняття температури можна застосовувати лише для рівноважних станів, а інверсна заселеність – це нерівноважний стан. Тому застосування формул (1-3) до нерівноважного стану призводить до від’ємних значень абсолютної температури.

Які ж властивості має вимушене випромінювання?

А.Ейнштейн показав, що вимушене випромінювання повинно бути за своїми характеристиками цілком тотожним зовнішньому випромінюванню, яке його викликає. Таким чином, якщо квант  пролітає повз збуджений атом, то він спонукає останній випромінювати такий же за величиною (й іншими характеристиками) квант  рис. 5. Таким чином, в напрямку руху спонукаючого кванта рухаються вже два кванти (вимушений і вимушуючий), тобто при індукованому випромінюванні відбувається подвоєння (помноження) кількості однакових квантів або підсилення випромінювання.

Звідси виходить, що індуковане випромінювання має наступні властивості.

  1.  Величина квантів індукованого випромінювання однакова і дорівнює величині вимушуючого кванта.
  2.  Крім однакових частот (що випливає з першої властивості) індукований і зовнішній кванти мають однакову фазу і поляризацію, тобто являються когерентними.
  3.  Напрямок поширення індукованого і зовнішнього квантів
    однаковий.
  4.  При проходженні індукованого випромінювання через середовище із збудженими атомами воно підсилюється.

Принцип генерування (створення) індукованого випромінювання розглянемо на прикладах роботи рубінового і газового лазерів.

Активним елементом (тою частиною приладу, де безпосередньо виникає випромінювання) рубінового лазера являється рубіновий стержень. Рубін – це оксид алюмінію , в якому деякі атоми алюмінію заміщені атомами хрому . Чим більше атомів хрому, тим інтенсивніший червоний колір рубіну. Іони  переходять в збуджений стан Е3 (рис.6) при опроміненні їх світлом потужної ксенонової імпульсної лампи (рис.7), яка називається лампою накачки. Зворотній перехід в основний стан Е1 відбувається не одразу, а в два етапи. Спочатку збуджені атоми переходять на рівень Е2, віддаючи частину енергії кристалічній решітці рубіна, внаслідок чого він дуже розігрівається, тому лазер потребує охолодження проточною водою. Час життя атомів на Е2 більше приблизно в 105 разів, ніж на Е3. Тому рівень Е2 називається метастабільним тобто «майже постійним».

Це означає, що при неперервному інтенсивному збудженні атомів хрому лампою накачки вони з часом накопичуються на Е2.

З другого енергетичного рівня Е2  деяки атоми хрому спонтанно переходять на Е1 і випромінюють зовнішні кванти, під дією яких відбувається перехід всіх інших, накопичених на Е2, іонів з метастабільного рівня на основний, який супроводжується індукованим випромінюванням квантів з довжиною хвилі 6943 Å.

Це випромінювання – підсилене випромінювання, але інтенсивність його ще невелика. Тому в лазерах існує начебто другий каскад підсилення випромінювання за допомогою опричного резонатора, який в рубіновому лазері складається з двох строго
паралельних дзеркал – торців, що покриті тонким шаром срібла, рубінового стержня.

Перш ніж розглядати роботу оптичного резонатора, розглянемо генерування індукованого випромінювання в газовому (гелій-неоновому) лазері.

Його активний елемент складається зі скляного балона, в який впаяно анод А і катод К. У балоні знаходиться суміш гелію He з неоном Ne; на кінцях закріплені плоско-паралельні дзеркала – оптичний резонатор. Роль лампи накачки в гелій-неоновому лазері відіграє тліючий розряд, який виникає в газі після подання до електродів А і К високої напруги. Під час розряду атоми Не переходять у збуджений стан  (рис. 8). Збуджені атоми Не, стикаючись з атомами Ne, передають їм свою енергію, тобто збуджують їх. Атоми Ne переходять на метастабільний рівень Е3, і на ньому виникає інверсна заселеність. Під час переходу  відбувається індуковане випромінювання газового лазера у видимому діапазоні світла (червоний колір). Через те, що рівень Е2 не являється метастабільним, перехід , який відбувається в інфрачервоному діапазоні, не дає вимушеного випромінювання.

Підсилення генерованого вимушеного випромінювання в оптичному резонаторі відбувається однаково як в рубіновому так і вгазовому лазерах. Кванти вимушеного випромінювання, одержані в результаті переходів  (в рубіновому лазері) і  (в газовому), які пролітають повз збуджені атоми в активному елементі, примушують їх випромінювати нові і нові кванти. Чим більший шлях прольоту квантів індукованого випромінювання, тим більше підсилення. Збільшення цього шляху створюється багаторазовим відбиванням (рис. 9) потоку індукованих квантів від паралельних дзеркал Дз1 і Дз2. Підсилене світлове випромінювання виходить з резонатора через напівпрозоре дзеркало Дз2. Класична теорія пояснює підсилення тим, що довжина оптичного резонатора L (відстань між дзеркалами) вибирається такою, щоб на ній укладалося ціле число на півхвиль, утворених накладанням зустрічних пучків світла стоячої хвилі.

Оскільки лише невелика частина енергії ксенонової лампи накачки іде на генерування вимушеного випромінювання, а решта витрачається на нагрівання рубіну, то його стержень треба інтенсивно охолоджувати.

Рубінові лазери працюють в імпульсному режимі, що дає можливість за дуже короткий час випромінювати велику енергію.

Однією з основних характеристик лазерного випромінювання є його довжина хвилі . Для її визначення використовується дифракційна решітка. Направляючи на неї пучок когерентного випромінювання лазера, одержують на екрані дифракційну картину у вигляді яскравих точок – максимумів (рис. 10).

З вимірювань параметрів дифракційної картини обчислюється довжина хвилі  випромінювання лазера. Завдяки приведеним вище властивостям індукованого випромінювання лазери і мазери набули дуже широкого застосування – від медицини на Землі до зварювання в космосі.


Хід роботи

  1.  Ввімкнути лазер згідно інструкції його експлуатації.
  2.  Встановивши штатив з дифракційною решіткою та, змінюючи її положення, одержати чітку дифракційну картину у прохідному світлі.
  3.  Закріпити скріпками  міліметровий папір на екрані, який знаходиться за дифракційної решіткою за ходом променя від лазера.
  4.  Виміряти лінійкою відстань L від дифракційної решітки до екрана (рис. 11) з дифракційною картиною у відбитому світлі.
  5.  Виміряти  – відстань між максимумами (рис. 10) 1-го, 2-го і 3-го порядків, користуючись поділками міліметрового паперу.
  6.  Визначити довжину хвилі  випромінювання за допомогою умови максимуму дифракції світла

,     (4)

  1.  де  – постійна дифракційної решітки;  – кут дифракції k-го порядку (рис. 11), який можна підрахувати користуючись співвідношенням

.     (5)

  1.  Вимірювання повторити три рази для різних значень L, визначити середнє значення  для дифракційної картини у відбитому світлі, підрахувати похибки вимірювань.
  2.  Закріпити скріпками міліметровий папір на екрані, який знаходиться перед дифракційною решіткою за ходом променя від лазера.
  3.  Аналогічним способом (пункти 4-7) визначити довжину хвилі випромінювання  і похибки для дифракційної картини в світлі, що відбивається від
    решітки.
  4.  Порівняти одержані дані з паспортними даними для ЛГ-209.


Контрольні запитання

  1.  Що таке вимушене і спонтанне випромінювання?
  2.  При яких умовах виникає вимушене випромінювання?
  3.  Що таке інверсна заселеність енергетичних рівнів?
  4.  Властивості індукованого випромінювання.
  5.  Будова і принцип дії рубінового лазера.
  6.  Будова і принцип дії газового лазера (використати схему енергетичних рівнів).
  7.  Як відбувається підсилення світла в оптичному резонаторі
    лазерів?
  8.  Які лазери потребують інтенсивного охолодження і чому?
  9.  В чому полягає зміст явищ інтерференції і дифракції? Умови максимумів і мінімумів інтерференції.
  10.  Застосування лазерів і мазерів.

Література

  1.  И.В.Савельев, Курс общей физики, т.ІІІ. – М.: Наука, 1973.
  2.  Б.М.Яворский, А.А.Пинский, Основы физики, т.2 – М.: 1974.
  3.  Ивероновой В.И. Физический практикум. Электричество и оптика. −М.: 1968.
  4.  Г.И.Епифанов. Физика твердого тела. − М.: Высшая школа, 1977.
  5.  Д.М.Мазуренко. Курс теоретичної фізики. Електронна теорія речовини. − К.: Вища школа, 1969.
  6.  Г.А.Зисман, О.И.Тодес. Курс общей физики. Т.3. − М.: 1972.
  7.  Н.А.Соболев. Лазеры и их будущее. − М.: Атомиздат, 1968.

6

Е1

Е2

а)

б)

Рис.1

Рис.2

Е1

Е2

Е1

Е2

n1

n2

Рис.3

n2

Е2

Е1

n2<n1

n2<n1

а) Т=0

б) Т>0

в) Т=

n2=n1

n2>n1

г) Т<0

n1

Рис. 4

збуджений атом

незбуджений атом

Рис.5

Ксенонова лампа

вода

вода

Рис.7

рубін

Е3

Е2

Е1

λ=6943Å

Рис.6

без випромінювання

Е′3

Е2

Е1

Е3

Рис.8

випромінювання

He

Ne

Дз2

Дз1

L

незбуджений атом

збуджений атом

Рис.9.

х

max I порядку

max II порядку

Центральний максимум

І

І

ІІ

ІІ

ІІІ

ІІІ

Рис.10.

промінь

решітка

екран

Центральний максимум

І

І

Рис.11.

φ1

d

  1.  

 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

2042. Бенкет-кава: особливості меню, сервірування, обслуговування 18.16 KB
  Бенкет-чай організовують у затишних невеликих залах, у яких встановлюють круглі й овальні столи, а якщо їх немає, то столи квадратної або прямокутної форми, стільці, крісла, напівкрісла, а іноді й дивани.
2043. Бенкет-фуршет: особливості сервірування та обслуговування 26 KB
  Для сервування столу використовують столовий посуд і набори, загальна кількість яких залежить від чисельності гостей і нормативу на одного гостя.
2044. Обслуговування учасників конференцій, фестивалів, форумів 18.01 KB
  Учасники вказаних заходів обслуговуються харчуванням за місцем роботи і проживання. У перервах між засіданнями може працювати буфет-фуршет, організований за місцем проведення засідання.
2045. Призначення санітарно-технічної та інженерно-технічної служб 38.03 KB
  Основним призначенням санітарно-технічної та інженерно-технічної служб підприємства готельного господарства є створення та підтримка умов для безперервного функціонування будівель та обладнання готельного підприємства, своєчасне проведення всіх видів ремонту та профілактичних заходів з метою запобігання збоїв у роботі всіх служб підприємства.
2046. Вимоги до коридорів, холів, їх оформлення 25.76 KB
  Основною вимогою до коридорів є відсутність будь-яких меблів і денне та штучне освітлення, що сприяє швидкому орієнтуванню у них споживачів готельних послуг.
2047. Кондиціонування. Ліфти 24.33 KB
  Вентиляція приміщень (провітрювання) є природною і функціонує за рахунок проникнення в приміщення повітря через відкриті вікна, кватирки, щілини в конструкціях будинків і щілі будівельних матеріалів.
2048. Утримання та прибирання прилеглої території 16.56 KB
  Для здійснення контролю санітарно-екологічного стану навколишньої території за конкретним підприємством готельного господарства закріплюється певна площа.
2049. Основні прибиральні роботи в зимовий період 16.34 KB
  Щоденно прибирають бруд, сніг з доріжок, бордюрів, тротуарів і під'їзних автошляхів. Садівники прочищають доріжки у парках. У цей період необхідно періодично перевіряти стан багатолітніх насаджень.
2050. Основні прибиральні роботи навесні 16.41 KB
  Навесні прибирають сміття, що залишилось після остаточного танення снігу, проводять дрібний ремонт шляхів, тротуарів і доріжок. Особливої уваги потребують каналізаційні колодязі та місця з талою водою під час розтавання снігу.